减少室内空气颗粒物对老年人心血管和呼吸系统生理指标的影响：一项随机双盲交叉试验

周敏，郑子光，游宏宇，郭淼，喻伟*，杨旭

大量研究表明短期和长期暴露于环境颗粒物污染均会增加呼吸系统和心血管疾病的发病率和死亡率［1-2］。对于心血管疾病，这些机制包括炎症、心脏自主功能改变、凝血和纤维蛋白溶解之间的平衡改变、内皮和微血管功能障碍、动脉粥样硬化进展和斑块不稳定［3-4］。老年人对颗粒物污染具有更高的易感性［5］；颗粒物可以通过通风渗透等方式进入室内危害老年人健康［6］。空气净化器是降低室内颗粒物浓度的有效措施［7］，确定空气净化器对老年人住宅室内颗粒物的净化效果、探究室内空气净化对老年人心肺健康的改善作用十分重要。因此本研究在重庆市养老院中进行了一项随机双盲交叉试验，通过在室内安装便携式空气净化器，大幅度减少室内颗粒物暴露，研究短期使用空气净化器对健康老年人心肺功能的改善效果，为老年人健康建筑标准的制定提供理论依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象 本研究于2020年1月在中国重庆市江北区老年公寓进行，通过张贴海报和面对面交谈的方式招募26名老年志愿者，纳入标准：（1）年龄≥60岁；（2）在此养老院生活1年以上，且在研究期间未离开养老院。排除标准：（1）处于心肺疾病的发病期者；（2）试验前1年内存在吸烟、饮酒情况者。26名老年人居住在同一栋建筑中的18个房间中，每个房间2人或1人。房间结构相同，均由卧室和卫生间组成，室内无颗粒物污染源。

1.2 研究方法 本研究为随机双盲交叉干预试验，旨在评估短期室内空气过滤干预对健康指标结果的急性变化影响。采用完全随机分组方法，试验中纳入的每1个研究对象产生1个对应的随机数字，按照随机数字由小到大的顺序进行排序，按随机数字顺序将26名老年人分配到A、B组，每组13名老年人；每名老年人参与两阶段试验，每阶段试验时长48 h，两阶段试验间有12 d洗脱期。第一阶段试验中，A组老年人的房间中开启真净化器48 h，B组老年人的房间中开启假净化器（去掉空气净化器中的高效过滤网，只有外观与真净化器相似，没有任何净化功能）48 h。第二阶段中，两组老年人室内干预方式对调。空气净化器的洁净空气量（CADR）为436 m3/h，风量为520 m3/h。试验期间要求受试者待在自己的房间，保持门窗关闭；由工作人员将食物送到每个房间。所有干预措施从8：00开始，以避免与昼夜变化有关的问题。老年人和测量健康结果的研究人员均对室内空气净化器类型不知情。老年人参与研究前均签署书面知情同意书。本研究获得华中师范大学生命科学伦理审查委员会批准（CCNU-IRB-2019-002）。

1.3 暴露评估 在每个干预时期内均使用环境监测仪实时测量室内外颗粒物质量浓度〔可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）、可入肺颗粒物（PM1.0）〕及温湿度，时间分辨率为1 min。环境监测仪中颗粒物的监测使用激光粉尘传感器（ZH03B），温度的监测采用高分子湿敏电阻和高精度NTC测温元件（MHTRD06）。室内环境监测设备安装在离空气净化器≥1 m处，监测点的高度设置在0.6～1.0 m，以覆盖老年人呼吸区域。以48 h平均值作为每个房间1～2名受试者的统一暴露水平。室外的环境监测设备安装在老年公寓距住宅楼10 m的凉亭，同时监测室外颗粒物浓度。

1.4 健康指标测试 试验开始前收集老年人年龄、性别、身高、体质量、既往病史等信息。每次干预结束后采集老年人3 ml静脉血（EDTA管采集）。将静脉血样本分离出血浆，血浆在-80 ℃的环境存放。利用血浆测试了14种循环生物标志物，包括8项血液炎症指标〔C反应蛋白（CRP），纤维蛋白原，P选择蛋白，单核细胞趋化蛋白1（MCP-1），白介素1β（IL-1β），白介素6（IL-6），肿瘤坏死因子α（TNF-α），髓过氧化物酶（MPO）〕，4项凝血指标〔可溶性CD40配体（sCD40L），纤溶酶原激活物抑制剂1（PAI-1），组织型纤溶酶原激活物（t-PA），D-二聚体〕，2项氧化应激指标〔活性氧（ROS），谷胱甘肽（GSH）〕，上述生物标志物均用酶联免疫吸附试验测定。同时使用便携式NIOX MINO机器测量呼出气一氧化氮（FeNO）水平；使用肺活量计测试第1秒用力呼气容积（FEV1）、用力肺活量（FVC）和呼气峰流速值（PEF）；使用上臂电子血压计测量老年人的血压和心率。

1.5 统计分析方法 采用R软件的“lme4”包（version 4.0.4）进行统计分析。室内外监测的PM浓度以（±s）表示。采用线性混合效应模型探究室内开启空气净化器对老年人心肺相关健康指标的影响，健康指标均为偏态分布，因此在统计分析之前对健康指标进行对数变换；以健康指标的对数变换值为因变量，室内是否净化为自变量（固定效应），以年龄、性别、体质指数、室内相对湿度和室内温度作为固定效应协变量。敏感性分析采用线性混合效应模型对性别分析，探究室内使用空气净化器对于男性和女性健康指标的影响；并以室内PM2.5浓度的连续变量形式为自变量，其他变量同上进行线性混合效应模型分析。双侧检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 一般情况 试验初期招募26名老年人参与试验，其中有2名老年人中途退出试验，最终的研究对象包括12名男性和12 名女性，平均年龄为（82±8）岁，平均体质指数为（24.7±3.8）kg/m2。24名参与者完成了血压和心率的测量；2名参与者拒绝抽血；2名参与者无法完成完整的肺功能测试，2名仅完成FeNO测试，2名仅完成肺活量计测试。因此最终有24名参与者配对的血压、心率数据，20名参与者配对的肺功能测试结果、22名参与者配对的血样被纳入分析。

2.2 颗粒物暴露和气象参数 试验期间室外PM1.0、PM2.5和PM10、温度、相对湿度分别为（37.8±4.5）μg/m3、（60.8±6.1）μg/m3、（77.7±7.5）μg/m3、（11.0±3.7）℃、（64.6±5.0）%；老年公寓真净化器室内PM1.0、PM2.5、PM10、温度、相对湿度分别为（7.3±3.4）μg/m3、（12.7±5.5）μg/m3、（16.0±7.0）μg/m3、（20.0±1.9） ℃、（52.7±3.8）%；假 净化 器 室 内PM1.0、PM2.5、PM10、温度、相对湿度分别为（27.3±4.7）μg/m3、（45.6±7.8）μg/m3、（58.5±10.1）μg/m3、（19.8±1.5）℃、（51.4±4.6）%。

2.3 老年人真、假空气净化器健康指标结果 真净化器和假净化器使用后老年人的8项血液炎症因子、4项凝血因子、血压和心率、肺功能及肺部炎症和2项氧化应激因子的结果见表1。

表1 假净化器和真净化器试验期间的健康指标结果（±s）Table 1 Health indexes in the real purifiers group and sham purifiers group during the intervention period

表1 假净化器和真净化器试验期间的健康指标结果（±s）Table 1 Health indexes in the real purifiers group and sham purifiers group during the intervention period

注：a表示存在数据缺失，真、假净化器老年人例数均为22例；b表示存在数据缺失，真、假净化器老年人例数均为20例；CRP=C反应蛋白，MCP-1=单核细胞趋化蛋白1，IL-1β=白介素1β，IL-6=白介素6，TNF-α=肿瘤坏死因子α，MPO=髓过氧化物酶，sCD40L=可溶性CD40配体，PAI-1=纤溶酶原激活物抑制剂1，t-PA=组织型纤溶酶原激活物，SBP=收缩压，DBP=舒张压，PEF=呼气峰流速值，FEV1=第1秒用力呼气容积，FVC=用力肺活量，FeNO=呼出气一氧化氮，ROS=活性氧，GSH=谷胱甘肽

血液炎症因子a 凝血因子a CRP（μg/L）t-PA（ng/L）假净化器 24 2 084.7±426.5 993.3±195.6 4 461.6±575.5 240.6±27.1 53.1±5.8 20.0±2.8 314.0±74.4 78.2±10.8 628.4±146.6 657.4±110.6 211.7±22.7真净化器 24 1 864.3±397.5 859.5±174.1 4 225.6±522.5 198.6±21.8 51.3±5.8 19.3±2.7 293.7±70.7 65.2±12.4 610.3±18.1 564.8±129.6 183.6±29.7组别 例数 纤维蛋白原（μg/L）P选择蛋白（ng/L）MCP-1（ng/L）IL-1β（ng/L）IL-6（ng/L）TNF-α（ng/L）MPO（μg/L）sCD40L（ng/L）PAI-1（ng/L）GSH（ng/L）假净化器 3 728.4±706.7 145±30 87±13 74±13 104.5±32.4 0.87±0.45 1.03±0.62 18.9±10.0 11.5±1.4 76.6±11.8真净化器 3 470.3±536.9 142±27 88±15 70±10 96.9±41.6 0.87±0.48 1.08±0.70 16.0±9.7 11.0±1.3 82.2±12.4组别 D-二聚体（μg/L）SBP（mm Hg）DBP（mm Hg）心率（次/min）氧化应激因子a PEF（L/min）肺功能及肺部炎症b FEV1（L）FVC（L）FeNO（ppb）ROS（μg/L）

2.4 混合线性模型结果 混合效应模型结果可见，与假净化器相比，真净化器明显改善老年人3项血液炎症因子、2项凝血因子和心率（P＜0.05），见表2。与暴露在假净化器的老年人相比，暴露在真净化器老年人的血液炎症因子中纤维蛋白原、MCP-1、MPO改变量为-15.1%〔95%CI（-23.1%，-6.3%）〕、-17.7%〔95%CI（-22.9%，-12.3%）〕 和 -17.2%〔95%CI（-23.9%，-9.8%）〕；凝血因子中PAI-1改变量为-14.9%〔95%CI（-21.1%，-8.2%）〕，t-PA改变量为-13.5%〔95%CI（-18.7%，-8.0%）〕；心率改变量为-5.9%〔95%CI（-10.1%，-1.4%）〕。真净化器、假净化器的顺序对老年人任何一项健康指标的结果无影响（P＞0.05）。

表2 真、假净化器下老年人健康指标的线性混合效应模型结果Table 2 Linear mixed-effect model results of health indexes of the elderly under real and sham purification

2.5 空气净化器对不同性别老年人健康指标影响 以性别分层，对室内开启净化器与老年人生理指标变化之间的关系进行敏感性分析，混合效应模型结果可见，与假净化器相比，室内开启真净化器可降低男性老年人CRP、纤维蛋白原、MCP-1、IL-1β、MPO、PAI-1、t-PA（P＜0.05）；与假净化器相比，室内开启真净化器可降低女性老年人纤维蛋白原、MCP-1、PAI-1、t-PA、心率（P＜0.05），见表3。

表3 男、女性老年人真、假净化器下健康指标的线性混合效应模型结果Table 3 Linear mixed-effect model results of health indexes of male and female older adults under real and sham purification

2.6 室内PM2.5对老年人生理指标的剂量-效应关系线性混合效应模型结果显示，室内PM2.5浓度每升高1 μg/m3，老年人纤维蛋白原、MCP-1、MPO、PAI-1、t-PA、D-二聚体、心率相应升高0.51%、0.48%、0.56%、0.49%、0.43%、0.31%、0.20%（P＜0.05），见表4。

表4 室内PM2.5浓度每增加1 μg/m3老年人健康标志物的变化Table 4 Changes in health indexes of the elderly for every 1 μg/m3 increase in indoor PM2.5 concentration

3 讨论

假净化器条件下，老年公寓室内空气中PM2.5浓度为45.6 μg/m3，高于世界卫生组织（WHO）标准规定值（25 μg/m3）［8］。使用空气净化器后，室内PM2.5浓度为12.7 μg/m3，符合WHO标准。空气净化器可以有效降低室内颗粒物的浓度，从而减少可吸入颗粒物暴露对老年人的伤害。短期的室内空气净化可能有心肺方面的好处。本研究发现在通过空气净化降低颗粒物水平后，3项炎症指标（纤维蛋白原、MCP-1、MPO）、2项凝血指标（PAI-1和t-PA）、心率均有相应下降。

空气污染和心血管疾病之间的关系涉及许多病理生理学途径，如全身炎症和凝血［9］。CRP是心血管事件发生的一个可靠和独立的预测因素［10］。一些横断面研究发现，暴露于颗粒物和CRP存在正相关［11-12］。在应对血管破坏或炎症时，人体的反应是增加凝血因子的数量，以加强和完成血栓的形成，其中纤维蛋白原在该过程中起着关键作用［13-14］。一项对伊朗德黑兰44名健康成年人的研究发现，在不同的空气污染条件下，纤维蛋白原水平有明显差异，沙尘暴条件下受试者的纤维蛋白原水平最高［15］；一项对40名健康年轻人的研究也发现，空气中的PM2.5浓度与纤维蛋白原水平存在明显的相关性［16］。本研究结果与之一致，但是本研究试验条件不同，本研究是在正常的大气条件下进行，PM的主要来源是室外交通排放物，而不是上述的极端天气，如沙尘暴。中国北京一项在日常大气条件下进行的空气净化器的随机双盲干预研究发现，空气净化能降低年轻人的CRP和纤维蛋白原，但并不明显［17］。本研究中48 h的室内空气净化引起老年人纤维蛋白原的明显变化，这可能是由于随着身体的老化、身体功能下降，使老年人更容易感受到颗粒物对心血管健康的损害。因此空气净化对老年人的潜在健康益处比普通人群更大。接触可吸入颗粒物和静脉血栓栓塞症有关的生物学机制尚未完全确定，有研究表明其中一个可能的机制是高凝血性和增强血栓形成［18］。本研究也发现使用空气净化后PAI-1和t-PA明显下降，支持了上述观点。

本研究检查了多个健康指标，对于老年人室内颗粒物研究具有探索性价值；但本研究仅包括16个房间中的24名参与者，样本量相对较小，可能会丢失一部分信息。

综上所述，本研究发现空气净化器的使用可以明显降低老年人纤维蛋白原、MCP-1、MPO、PAI-1、t-PA和心率。随着PM2.5浓度增加，老年人纤维蛋白原、MCP-1、MPO、PAI-1、t-PA、D-二聚体、心率相应升高。净化空气可能改善老年人的循环和心肺健康。

作者贡献：周敏负责调查研究、方法设计、提供资源、有效验证、初稿写作；郑子光负责调查研究、项目管理；游宏宇负责形式分析、软件处理；郭淼负责数据策划、可视化分析；喻伟负责方案策划、获取资助、项目管理、提供资源、监督指导、写作审编等；杨旭负责方法设计、监督指导。

本文无利益冲突。