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广东工大祁增华/广州疾控秦鹏哲等: 心血管病如何受空气污染,气候变化和老龄化的影响

日期： 来源：RSC英国皇家化学会收集编辑：祁增华秦鹏哲团队

研究背景

空气污染是导致全球心血管疾病死亡的首要环境危险因素。2013 年以来，我国大气污染防治工作取得积极成效，大气环境质量显著改善。然而，在气候变化和人口老龄化的双重压力下，空气质量改善对心血管死亡率的健康效益尚不明确。
近日，广东工业大学祁增华副教授和广州疾控中心秦鹏哲团队合作，利用广义相加模型和机器学习分析方法，研究了广州市 2013–2021 年 9 年间空气污染、气象条件和老龄化对心血管病死亡贡献的动态效应。
该文章题为“Climate change and population aging may impact the benefits of improved air quality on cardiovascular mortality in Guangzhou: epidemiological evidence and policy implications”(《气候变化和老龄化可能削弱空气质量改善带来的心血管健康收益》)，发表在 RSC 期刊 Environmental Science: Advances 上。

研究内容

1.心血管死亡率及其相关环境因素变化趋势

2013 – 2021 年广州市全域范围内共发生心血管疾病死亡 181171 例，日均死亡数为 55 例。2013 – 2018 年心血管病死亡率呈波动下降趋势，2021 年上升至 226.19 / 10万，接近 2013 年（图1a）的水平。2013 – 2021 年，SO2、PM2.5、CO 和 NO2 浓度随时间推移分别下降了 62.12 %、53.94 %、32.30 % 和 30.58 % （图1b）。此外，PM2.5 和 SO2 两种超标污染物分别于 2016 年和 2019 年达到国家环境空气质量标准。在 6 个主要气象参数中，气温的变化最为稳定和显著。从 2013 年开始，气温持续上升，2021 年达到 24℃，较 2013 年增加 1.5℃（图1c）。

Fig. 1 Variations in cardiovascular mortality and key environmental factors during 2013–2021 in Guangzhou: (a) annual cardiovascular mortality, (b) annual average concentrations of PM2.5, SO2, NO2, CO and O3, (c) annual average temperature.

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图 1. 2013 - 2021 年广州市居民心血管疾病死亡率与主要环境因素的变化

2.心血管疾病死亡相关的环境因素特征数据提取
研究者结合数据挖掘和机器学习等多种分析手段对影响广州市居民心血管健康的主要环境暴露因素进行筛选和预测。首先利用广义相加模型的数据挖掘方法解析各环境因素的滞后效应，并提取出温度、相对湿度、降雨量、风速、气压、光照时间、PM2.5、SO2、NO2、CO 和 O3 等与心血管死亡率相关的环境因素作为后续机器学习的自变量。基于支持向量机、人工神经网络、极端梯度提升算法和轻量级梯度提升机构建预测模型，将自变量中 85% 部分作为机器学习的训练集，15% 作为验证集，完成十折交叉验证。通过对模型进行评估，比较各个模型的性能，确定轻量级梯度提升机为最合适的机器学习方法。此外，由于上述机器学习"黑箱"模型缺乏可解释性，研究者采用 SHAP(SHapley Additive exPlanation) 方法对模型的输出进行解释，以鉴别和量化诱发心血管疾病死亡效应的关键环境暴露因素。依据 SHAP 图（图2）和机器学习训练过程中自变量重要性排序结果，研究团队发现广州市气候因素对心血管病死亡率的贡献逐年增加，与之相反的是空气污染带来的心血管健康危害则呈现下降趋势。2013 – 2015 年，大气污染物是影响心血管死亡的主要环境因素。但在随后的 2016 – 2018 年和 2019 – 2021 年两个研究阶段，以气压、降雨和光照时间为代表的气候因素的贡献逐渐增加并超过大气污染物成为主要环境影响因素。

Fig. 2  SHAP summary plot. Each factor is arranged from high to low according to the average value of its SHAP absolute value. Each line provides more details about how each risk factor affects cardiovascular mortality. Red (blue) points represent high (low) values of risk factors.

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图 2. 环境因素对心血管死亡率贡献的 SHAP 图

3. 人口老龄化带来的心血管死亡负担
与世界其他地区一样，广州市正经历着人口老龄化带来的问题。2021 年广州市 65 岁以上老年人口比重达到 13.17%（图 3a），远高于 7% 的国际老龄化标准线，预期寿命从 2013 年的 80.62 岁上升到 2021 年的 83.18 岁。老年人作为心血管疾病易感人群、加上自身免疫力低下和社会隔离等原因，特别容易受到环境暴露的影响而诱发心血管相关疾病。尽管近年来广州市空气污染水平持续改善，但心血管死亡率仍呈现出持续上升趋势，其中老年人占比达到 87.01% (图 3b)。对心血管疾病死亡率影响的年龄因素进行分析后发现，2020 - 2021 年广州市心血管疾病死亡率上升的 101.71 % 归因于人口老龄化，高于 2019 - 2020 年的贡献度 (81.99%)，且贡献度远超非人口因素的影响。而且人口老龄化对心血管病死亡率的影响仍在加深（图 3c）。近年来，广州居民的物质生活条件和医疗水平逐步提高，人口结构老龄化面临加速期，这将日益加重心血管病负担。
Fig. 3  Effect of population aging on cardiovascular mortality in Guangzhou: (a) changes in population structure, (b) changes in the proportion of deaths by age group, (c) contribution of different factors to the increase in cardiovascular mortality.

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图 3. 广州市人口老龄化对心血管病死亡率的影响

总结展望

研究者利用广义相加模型和机器学习分析方法，探明了广州市 2013 - 2021 年 9 年间空气污染、气象条件和老龄化对心血管病死亡贡献的动态影响。虽然过去 10 年广州市空气质量不断改善，但 2019 年以来心血管病死亡率仍呈现持续上升趋势，到 2021 年已接近 2013 年水平。使用 SHAP 方法解释模型输出结果发现，自 2016 年以来，气象因素逐渐取代空气污染物成为影响心血管死亡率的主要环境因素。与此同时，人口老龄化对心血管病死亡率的影响逐年上升。

本研究基于百万级别的环境和流行病学数据，构建了基于机器学习的分析预测模型，系统解析了在气候变化和人口老龄化交互作用下，空气质量改善带来的心血管健康收益，为后续建立环境因素相关疾病预警服务平台和制定环境和公共卫生相关政策提供了科学依据。

论文信息

Climate change and population aging may impact the benefits of improved air quality on cardiovascular mortality in Guangzhou: epidemiological evidence and policy implications

Chenguang Wu§, Hang Dong§, Jiajun Ou, Dan Li, Yuanyuan Song, Chunliang Luo, Zixun Yu, Boheng Liang, Yingxin Yu, Pengzhe Qin*（秦鹏哲，广州疾控中心）, Zenghua Qi*（祁增华，广东工业大学） and Zongwei Cai

Environ. Sci.: Adv., 2023, 2, 215-226
https://doi.org/10.1039/D2VA00303A

作者简介

吴晨光 硕士研究生

广东工业大学环境科学与工程学院

本文第一作者，祁增华副教授团队硕士研究生，主要研究方向为心血管疾病的环境因素识别及预测模型构建。





董航 副主任医师

广州市疾病预防控制中心

本文第一作者董航，副主任医师，广州市疾病预防控制中心工作，从事慢性非传染性疾病预防与控制 17 年，主持并参与市级及以上课题 11 项，发表中文核心期刊和 SCI 论文 20 余篇，作为副主编出版著作 1 部，作为编委出版著作 8 部；2021 年广东医学科技二等奖主要成员。擅长科普讲座，多次获得科普演讲一等奖，广东健康科普大赛活动优秀奖等。2019 年被中国疾控中心评为“死因登记工作先进个人”， 2022 年被评为市卫生健康委"守护健康“共产党员岗位标兵，同年驰援西藏荣获”林芝市抗击新冠肺炎疫情先进个人“称号。






祁增华 副教授

广东工业大学

本文通讯作者，博士，广东工业大学环境科学与工程学院副教授，硕士生导师。广东工业大学“百人计划” A类，从事大气污染物分析与心血管健康效应的研究，重点开展 PM2.5 中毒害成分在机体内的积累、分布、代谢及其致毒分子机制等方面的研究工作。在国内外高水平期刊上（如 Environ. Sci. Technol.、Environ. Int. 和 Sci. Total. Environ 等）发表 SCI 收录论文 30 余篇，授权专利 3 项，并承担参与多项国家级和省级科研项目。





秦鹏哲 主任医师

广州市疾病预防控制中心

本文通讯作者，广州市疾病预防控制中心副主任，主任医师，广东省睡眠障碍与相关疾病专委会副主任委员，广东省抗癌协会肿瘤流行病学专委会委员，广东省健康科普专家。从事急性传染病疾病预防控制和健康教育等工作，多次获得省、市科技进步奖，发表多篇SCI论文。曾获广东省抗击 SARS 一等功，“广东好医生”，“广东省防疫精英”。目前主要研究方向传染病的预警监测和应急处突，相关疾病、生命和行为监测，慢性非传染性疾病危险因素及非药物干预手段等。

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2-年影响因子*新刊暂无分
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