空气污染物暴露联合运动锻炼对肺功能影响的Meta 分析

孙金月，史 鹏

1.上海体育学院体育教育训练学院，上海 200438；2.辽宁师范大学体育学院；3.辽宁省运动人体科学重点实验室

随着人们对环境污染和自身健康关系的日益关注，空气污染已经成为近年来研究的热点问题。世界卫生组织（WHO）更是将空气污染列为威胁人类健康的最大环境问题[1]。大量流行病学和毒理学研究显示，空气污染物暴露与人的健康效益存在关联，经常暴露于二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）以及空气可吸入颗粒物中能够提高心血管疾病、呼吸系统疾病、某些癌症、白血病、代谢性疾病患病率，产生过早死亡风险[2-6]。规律的身体活动能够降低全因死亡率，改善身体成分及肺功能，降低心血管疾病发生等风险[7-10]。但公园、广场、街道等作为体育锻炼的场所，长期暴露于城市空气污染物中，可能会降低在这些地点锻炼人群的锻炼效果，甚至对锻炼人群健康造成一定损害。赵杰修等[11]认为运动锻炼促进健康和空气污染物暴露危害健康可能存在一个平衡点，因此，研究运动锻炼与空气污染物暴露对机体健康的联合效应和相关机制尤为重要。目前，运动锻炼与空气污染物暴露对机体健康的联合效应研究主要集中于空气污染与运动锻炼对肺功能的联合效应探讨。有研究者认为，呼吸系统对运动的适应性包括通气率增加和运动后持续的支气管扩张，这些呼吸适应使机体运动时吸入的空气量以及沉积在呼吸道中的空气污染颗粒物比例远高于机体静息状态的呼吸反应[12-13]。Wijnen 等[14-15]研究表明，与久坐人群或在室内、农村进行运动锻炼的人群相比，在城市环境中进行运动锻炼的人群将面临更高的空气污染物暴露风险。McCreanor 等[16-18]研究认为在污染严重的城市环境下进行运动锻炼，能够造成二氧化硫（SO2）、O3等有毒气体以及空气中超细悬浮颗粒物吸入肺部的剂量大幅度增加，从而导致易感人群和健康成年人肺功能下降。Heyder 等[19-20]指出机体暴露于污染物时受运动锻炼期间肺通气量增加的影响，可发生污染物的嵌固沉积。但Matt 等[21]研究证明，运动锻炼与空气污染物暴露存在相互作用，运动锻炼能够减轻空气悬浮颗粒物对呼吸道的负面影响，即使在高污染环境下进行运动锻炼，上呼吸道功能也会存在短期的显著性提高。Giles 等[22]认为运动促进健康的正面效益要大于空气污染物暴露的负面效应。尽管已有研究从空气污染物的毒性、空气污染物暴露对健康和运动表现的负面影响、运动锻炼补偿空气污染物暴露的负面作用等方面展开讨论[11，23-27]，但大部分文献没有严格的数据统计分析过程，也没有纳入研究质量的统一标准，不利于定量分析干预措施的总效应量，研究结论与建议受作者主观影响较大。Qin 等[28]通过Meta 分析研究户外运动和空气污染物暴露对肺功能的联合效应，但由于检索不充分，每项结局变量仅对2 项或3 项研究进行了定量合并，且研究并未评估文献敏感性，研究结果准确性受到质疑。本研究通过系统回顾以往相关文献，采用数据合并和定量分析的方法探讨空气污染物暴露联合运动锻炼对肺功能的影响，并探讨其相关生理学机制，以期为户外运动锻炼提供指导。

1 资料与方法

1.1 纳入及排除标准

1.1.1 研究类型 随机对照试验（RCT）、队列研究或单组前后对照试验设计。

1.1.2 研究对象 无呼吸系统和心血管疾病的健康人群，进行运动锻炼，无年龄和性别限制。

1.1.3 暴露因素 空气污染物暴露，如有毒气体一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）、NO2、氮氧化合物（NOX）、SO2、O3和颗粒物空气质量指数（PM）。

1.1.4 结局指标 用力肺活量（FVC）、1 s 用力呼气量（FEV1）、呼 气 峰 流 速（PEF）、呼 出 气 一 氧 化 氮（FeNO）。

1.1.5 排除标准 ①会议摘要、给编辑的信、综述类文献；②同一组数据重复发表、报告数据不完整的文献；③问卷调查类、综合干预实验类、动物实验类研究。1.2 检索策略 2 名研究人员采用中英文检索形式分别独立进行数据库检索，检索获得结果一致。中文检索：采用高级检索形式，以“户外运动”“运动锻炼”“体育锻炼”“健身”“身体活动”联合“空气污染”“空气质量”“二氧化氮（NO2）”“二氧化硫（SO2）”“臭氧（O3）”“颗粒物”“PM10”“PM2.5”为主题词，检索中国知网（CNKI）。英 文 检 索：以“outdoor sports”“exercise”“physical activity”“fitness”“physical training”“air pollution”“air quality”“nitrogen dioxide(NO2)”“sulfur dioxide(SO2)”“ozone(O3)”“carbon monoxide(CO)”“particulate matter(PM)”“PM10”“PM2.5”为 关 键 词，检索Web of Science、PubMed、EBSCO、The Cochrane Library。中英文检索年限均为数据库建立至2020 年3月17 日。

1.3 文献筛选和资料提取 2 名研究人员分别独立按照文献的纳入与排除标准进行文献筛选和资料提取，对判断结果存在争议的文献采取与第3 人共同讨论的方式决定是否纳入。提取的信息主要包括第一作者、发文年限、试验设计、被试特征（样本量、年龄、性别）、空气污染物、运动内容、结局变量等。

1.4 质量评价 由2 名研究人员独立对纳入文献进行方法学质量评价，存在严重分歧的条目与第3 人共同讨论决定。由于本研究纳入RCT、队列研究和单组前后对照试验设计3 种研究类型，所以选用能够同时评价RCT 和非RCT 研究质量的评估工具(质量指数)[29]进行文献质量评价。本研究从报告质量、外部真实性、偏倚、混杂因素4 个部分、共26 个条目对纳入文献进行评价，若文献符合某一条目，该条目计1 分；若不符合或没有报告计0 分，满分26 分。

1.5 统计学方法 将录入Excel 表格的数据以“.xls”格式导入Stata 12.0 软件，利用Meta-analysis 模块进行统计分析。通过异质性检验选择合并效应模型进行主效应检验；通过Egger 线性回归分析进行文献发表偏倚检验；通过单因素Meta 回归分析探讨文献异质性来源；通过“metainf”命令进行文献敏感性分析。采用Q检验和I2统计量检验研究间异质性，若I2＜50%，P＞0.1，认为研究间异质性较小，选择固定效应模型进行分析；若I2≥50%，P≤0.1，认为研究间异质较大，选择随机效应模型进行分析。空气污染物暴露联合运动锻炼对结局变量干预效果的效应量大小及不同干预特征差异采用标准化均方差（SMD）和95%置信区间（CI）表示，以SMD＞0.2～0.6 为小效应，SMD＞0.6～1.2 为中等效应，SMD＞1.2 为大效应。异质性检验水平定为α=0.1，其余检验水平定为α=0.05。

2 结果

2.1 文献筛选结果 初步检索获得1 844 篇相关文献，将文献导入EndNote X9 文献管理软件进行去重后得到1 310 篇文献。2 名研究人员经过文献类型判断和阅读文献标题，剔除会议摘要、给编辑的信、综述类文献及动物实验等；阅读摘要和全文，剔除同一组数据重复发表文献、综合干预实验类研究、报告数据不完整及问卷调查类文献，最终纳入19 篇文献[30-48]。文献筛选流程及结果见图1。

图1 文献筛选流程及结果

2.2 纳入文献的基本特征及文献质量评价 纳入的19 篇 文 献[30-48]中，2 篇[30-31]为 中 文 文 献，17 篇[32-48]为 英 文文献，文献发表时间为1991 年—2019 年，包含RCT 5篇[30，37-38，42，48]，队 列 研 究2 篇[34，45]，单 组 前 后 对 照 试 验12篇[31-33，35-36，39-41，43-44，46-47]；共纳入1 291 名参与者，年龄均＞18 岁；空气污染物包括PM1、PM2.5、PM10 等空气悬浮颗粒以及CO、NO2、SO2、O3等有毒气体；运动干预措施包括高强度运动、间歇运动、累积锻炼、运动训练、有氧运动、低强度持续运动等多种形式。文献质量评价结果显示：文献质量得分为13～21 分，平均分为17.21 分；纳入研究都明确报告了研究目的、研究方法、被试特征、干预措施、研究结果，文献报告质量相对较高；部分研究未对受试者的代表性进行评估，外部真实性有待提高；大部分研究采用盲法干预，结局指标测量精确，统计检验方法恰当，没有研究涉及是否采用盲法测量干预结果和干预措施的依从性问题；大部分文献均报告了被试者来源、随机分配、失访被试者等问题，没有研究在不同群体之间进行干预，对于混杂因素的处理相对较好；没有研究提供样本量估计的统计能力。总体上，纳入研究报告质量、混杂因素处理相对较好，但也存在外部失真的可能性。纳入文献的基本特征及文献质量评价结果见表1。

（续表）

2.3 Meta 分析结果

2.3.1 空气污染物暴露联合运动锻炼对FVC 的影响 13 篇文献[30-32，34，36-37，39-40，42-46]研究了空气污染物联 合运动锻炼对FVC的影响，文献异质性检验结果显示：I2=65.3%，P=0.001，研究间异质较大，因此采用随机效应模型进行分析。主效应检验结果显示：SMD=-0.09，95%CI(-0.31，0.12)，P=0.385，说明空气污染物暴露联合运动锻炼对FVC 的影响与低污染/清新空气联合运动锻炼相比不显著。见图2。

2.3.2 空气污染物暴露联合运动锻炼对FEV1的影响 14 篇 文 献[30-32，34，36-37，39-46]研 究 了 空 气 污 染 物 暴 露 联合运动锻炼对FEV1的影响，文献异质性检验结果显示：I2=75.0%，P=0.000，研究间异质较大，因此采用随机效应模型进行分析。主效应检验结果显示：SMD=-0.09，95%CI(-0.34，0.15)，P=0.464，说 明空气污染物暴露联合运动锻炼对FEV1的影响与低污染/清新空气联合运动锻炼相比不显著。见图3。

图2 空气污染物暴露联合运动锻炼对FVC 影响的森林图

图3 空气污染物暴露联合运动锻炼对FEV1影响的森林图

2.3.3 空气污染物暴露联合运动锻炼对PEF 的影响 8 篇 文 献[30-32，36，40，42，45-46]研 究 了 空 气 污 染 物 暴 露 联合运动锻炼对PEF 的影响，文献异质性检验结果显示：I2=92.7%，P=0.000，研究间异质较大，因此采用随机效应模型进行分析。主效应检验结果显示：SMD=0.36，95%CI(-0.33，1.06)，P=0.308，说明空气污染物暴露联合运动锻炼对PEF 的影响与低污染/清新空气联合运动锻炼相比不显著。见图4。

2.3.4 空气污染物暴露联合运动锻炼对FeNO 的影响 9 篇 文 献[32-33，35，38-40，42，47-48]研 究 了 空 气 污 染 物 暴 露 联合运动锻炼对FeNO 的影响，文献异质性检验结果显示：I2=86.5%，P=0.000，研究间异质较大，因此采用随机效应模型进行分析。主效应检验结果显示：SMD=0.68，95%CI(0.09，1.28)，P=0.023，说明空气污染物暴露能够提升运动锻炼人群的FeNO 水平，可能造成气道炎症，影响机体健康。见图5。

图4 空气污染物暴露联合运动锻炼对PEF 影响的森林图

图5 空气污染物暴露联合运动锻炼对FeNO 影响的森林图

2.4 文献发表偏倚检验 Meta 分析结果的可靠性取决于纳入文献是否存在偏倚。本研究采用Egger 线性回归进行文献发表偏倚检验。Egger 线性回归是一种定量检验是否存在发表偏倚的方法，用以弥补漏斗图主观无法判断情况时的不足[49-50]。Egger 线性回归模型以标准化的效应量为Y变量，以效应估计量的精确性为X变量构建线性回归方程，回归方程截距为偏移量，其越接近0，说明存在发表偏倚可能性越小，若P＞0.05 且95%CI 包含0，则说明不存在发表偏倚。本研究Egger 线性回归分析结果显示：FVC、FEV1、PEF 和FeNO 中P＞0.05 且95%CI 包含0，说明纳入文献不存在发表偏倚，Meta 分析结果稳定、可靠。Egger 线性回归发表偏倚检验结果见表2。

表2 Egger 线性回归发表偏倚检验

2.5 文献异质性来源探讨 文献异质性检验显示肺功能4 项结局指标研究间均存在异质性，因此，需要对可能引起异质性的研究特征进行单因素Meta 回归分析，以探寻研究间异质性来源。本研究以标准化的效应量为Y变量，分别对发表年限、样本量、被试者年龄、被试者性别、污染特征、运动方式、文献质量等研究特征进行编码，再设定为X变量进行单因素Meta 回归分析。单因素Meta 回归分析结果显示：除污染特征(回归系数为-0.779，P=0.022)外，其他研究特征均不是研究间异质性来源。见表3。

表3 单因素Meta 回归分析

2.6 文献敏感性分析 文献敏感性分析是元分析中用来评估合并结果稳健性和可靠性的重要方法，可以评估合并结果是否受到某项研究影响而发生显著性变化。本研究借助于“metainf”命令依次对每项结局变量所纳入的研究进行敏感性分析，结果显示：FVC 纳入文 献 的 总SMD=-0.09，95%CI(-0.31，0.12)，P=0.385，剔 除 某 一 项 研 究 的SMD 为-0.15～-0.04，95%CI 下限为-0.41～-0.21，上限为0.05～0.18，文献敏感性较低；FEV1纳入文献的总SMD=-0.09，95%CI(-0.34，0.15)，P=0.464，剔 除 某 一 项 研 究 的SMD 为-0.14～-0.02，95%CI 下限为-0.46～-0.21，上限为0.10～0.22，文献敏感性较低；PEF 纳入文献的总SMD=0.36，95%CI(-0.33，1.06)，P=0.308，剔除 某 一 项 研 究 的SMD 为-0.21～0.56，95%CI 下 限为-0.63～-0.20，上限为0.22～1.48，文献存在敏感性问题，剔除存在较大偏倚性的研究，即Girardot 等[45]的研究之后，主效应检验结果SMD=0.52，95%CI(-0.45，1.48)，P=0.297，研究不存在显著性差异；FeNO 纳入文 献 的 总SMD=0.68，95%CI(0.09，1.28)，P=0.023，剔除某一项研究的SMD 为0.31～0.80，95%CI 下限为-0.01～0.16，上限为0.59～1.47，剔除存在较大偏倚性的研究，即Chen 等[33]的研究之后，合并效应（固定效 应I2=37.1%，P=0.133）结 果 显 示SMD=0.32，95%CI（0.11，0.53），P=0.003，研究具有显著性差异，效应量为小效应。虽然PEF 和FeNO 存在文献敏感性问题，但剔除敏感性研究之后的合并效应结果与未剔除的合并效应结果相似。

3 讨论

本研究系统回顾并综合了空气污染物暴露联合运动锻炼对人体肺功能影响的科学证据，共纳入19 篇文献进行Meta 分析，发现空气污染物暴露联合运动锻炼能够提升运动锻炼人群的FeNO 水平，但研究尚不能证实空气污染物暴露会对FVC、FEV1和PEF 产生消极影响。已有研究显示，户外运动能够使机体对空气污染的敏感性升高，尤其在高强度运动过程中，呼吸由以鼻呼吸为主转变为以口呼吸为主，肺通气量增加，空气污染物绕过鼻过滤系统，可能增加空气污染物进入机体的剂量[22，51]。同时，运动锻炼可以增加沉积在呼吸道中未被呼出的超细颗粒物比例，可能增加空气污染物暴露的不利影响[37，52-53]。但也有研究者认为空气污染物浓度升高不会对体力活动人群产生负面影响[43]，如Weichenthal 等[54]通过实证研究发现，高污染和低污染环境下运动锻炼对肺功能的影响差异不明显；Laeremans 等[55]认为运动锻炼能够抵消空气污染物暴露对机体肺功能的不利影响；Cole 等[56]研究也未发现肺功能在空气污染和运动锻炼的交互作用下发生明显变化；Matt 等[21]研究甚至发现在较高浓度空气污染物暴露下运动锻炼能够显著提升FVC 和FEV1。不同研究对空气污染暴露和运动锻炼对肺功能交互作用的研究结果不同，这可能与被试者年龄和疾病情况不同有关[2]，空气污染物暴露会进一步降低各种疾病（心肌梗死、糖尿病、慢性阻塞性肺疾病）、衰老和药物（β 受体阻滞剂）使用人群的肺功能，但对无呼吸系统和心血管系统疾病的健康人群而言，其影响可能较小。除此之外，本研究异质性检验结果也显示，污染物类型和剂量是研究间差异性的重要来源。运动时内源性儿茶酚胺激活β2受体，可引起支气管扩张[57]。而空气污染物暴露可能导致氧化应激、支气管反应性增强、气道阻力增加和气道炎症细胞增多，从而影响肺功能[58-59]。已有研究显示，即使是健康人群也有可能因空气污染物暴露而发生肺部炎症，长期暴露会导致炎症细胞流入气道，显著增加气道炎症标志物，FeNO 上升[44，60]，与本研究结果相似。

4 小结

本研究基于Meta 分析就空气污染物暴露联合运动锻炼对健康人群肺功能的影响进行讨论，共纳入19篇文献，经过文献偏倚检验和敏感性分析后，主效应结果显示：空气污染物暴露联合运动锻炼对FVC、FEV1和PEF 的影响不显著，但其能够显著地提高运动锻炼人群的FeNO 水平，效应量为小效应，可能造成气道炎症，影响人体健康。单因素Meta 回归分析认为空气污染物的类型和剂量是异质性的来源，后续研究可以进一步讨论空气污染物种类和剂量联合运动锻炼对人体肺功能的影响。