氣候對骨質疏松及骨折影響的研究熱點聚類分析

范東偉 宋純理 李危石 陳仲強 黃偉

(北京大學第三醫院 1骨科,北京 100000；2骨質疏松和骨代謝疾病中心；3骨與關節精準醫學教育部工程中心；4中國科學技術大學信息學院；5中科院城市大氣環境研究卓越創新中心)

骨質疏松(OP)是骨的全身性疾病，其中骨折嚴重危害人們的健康〔1〕。在OP性骨折中，尤其是髖部骨折患者中，發病后的1年內，死亡風險增加 10%～20%〔2〕。我國65 歲以上人群OP患病率達到32.0%。至 2050 年，中國OP性骨折將達 590 萬例次〔3〕。氣候會影響骨代謝，影響骨折的發生率。例如，寒冷的氣候會導致下雪或結冰，增加跌倒的風險，從而導致骨折發生率高。此外，人體內的骨代謝相關激素，例如，維生素D和甲狀旁腺激素水平會隨氣候季節的變化而變化，在日照少等氣候因素作用下，可以導致骨脆性增加、骨折發生率增高〔4〕。本文擬探討氣候對OP及骨折影響的研究熱點。

1 材料、方法

1.1相關文獻檢索 檢索Pubmed數據庫，收錄的國際上發表、主題或關鍵詞中涉及OP的文獻。檢索時間為1945～2019年，檢索式為：′climate′〔MeSH Terms〕，′bone disease′〔MeSH Terms〕，osteoporosis′〔MeSH Terms〕，′fracture′〔MeSH Terms〕。共檢索到氣候對OP及骨折影響的相關文獻497篇。1945～1980年137篇、1981～2000年151篇、2001～2019年209篇。

1.2主題詞檢索 將檢索到的497篇相關文獻運用書目信息共現挖掘系統(BICOMS)進行文獻計量分析，記錄主題詞+副主題詞的出現頻次，并由高到低排序。將主題詞出現頻次為8次以上、累積頻次達到32.183 5%的前45個主題詞作為氣候對OP及骨折影響的研究熱點，見表1。

1.3聚類分析 將上述45個主題詞輸入軟件生成主題詞的詞篇矩陣，導入軟件gCLUTO1.0，對這些主題詞進行聚類分析。選擇聚類的方法為重復二分法，采用cosine函數的方法對相似性進行計算，給出聚類標準函數為I2。根據生成的實際聚類的高斯曲線擬合的山峰圖。每個山峰可視為一個類集合，其體積與類群包含的對象數量呈正比，類內相似性越大則山丘越陡峭。山峰顏色分為紅、黃、綠、淺藍和深藍，紅色代表低類內相似度標準差，藍色代表高類內相似度標準差；只有峰頂的顏色是有意義的，其他所有區域顏色混合以產生平滑過渡。山峰的顏色與類內相似度標準差成比例，當顏色越趨近于單一色時，表明集合間內部對象之間的相異度越小，相似度越大。

表1 氣候對OP及骨折影響相關文獻的主題詞頻次表

2 結 果

生成的實際聚類將主題詞聚為6類(0～5)，并生成由高斯曲線擬合聚類的山峰圖(圖1)。進一步把聚類圖里的6個聚類CLUSTER后，分為兩部分(圖2)。

圖1 研究熱點的聚類分析山峰圖

第一部分主要為聚類1，3，4。在聚類1，3，4中，聚類1的山峰顯示陡峭細長，體積最小，頂峰顏色接近紅色；說明該聚類內的文獻數量最少，研究主題內容最為集中。代表文獻為PMID14173935、PMID5024671、PMID12995190。聚類3山峰體積稍大于聚類1，陡峭程度稍弱，頂峰顏色為黃色；說明該聚類內的文獻數量比聚類1多一些，研究主題內容較為一般。代表文獻為PMID30257768、PMID16491320、PMID8110522。聚類4山峰體積大于聚類3，陡峭程度不突出，峰頂顏色為綠色；說明該聚類內的文獻數量一般，研究主題內容較為松散。代表文獻為PMID269930、PMID22704081、PMID4990244。這三種聚類主要針對氣候，季節因素對骨折，尤其是髖關節骨折影響的流行病學研究。尤其是對骨折影響較大的4個最常見的氣候變量：溫度，降雪，風和日照。這些文章提出：不論是在北半球的研究地點緯度范圍為59.91°(奧斯陸)～22.40°(香港)，還是南半球的研究緯度范圍均為新南威爾士州的-31.25°～-33.87° (澳大利亞)〔5，6〕，亦或是不同國家地區：歐洲〔7〕，美洲〔8〕，亞洲〔9〕及澳洲〔6〕，雖然在不同緯度的不同國家/地區，骨折的發生率不同，但都隨著季節的變化而變化，在較冷的月份，骨脆性增加，骨折發病率增加。在寒冷的冬季，骨折的發生率最高。此外，Caniggia等〔10〕分析了意大利的托斯卡納1975～1985年氣候和骨折數據，還是長達10年及以上的隨訪的研究數據〔11〕也顯示溫度很可能是引發骨折最關鍵的因素。這些10年以上的長隨訪時間隊列的觀察研究還發現：如果區分并排除季節的周期性成分，在整個秋季和冬季都觀察到，隨溫度逐漸降低，骨折發生率逐漸增加的趨勢。同時還發現：冬季出現骨折發生率最大的峰值并保持穩定，冬季后期有所減少。Mazzucchelli等〔12〕對南歐髖部脆性骨折人群隊列進行研究后也發現溫度與骨折發生率密切相關，呈負相關。

圖2 研究熱點的聚類分析CLUSTER圖

此外，降雪，風、日照也與對骨骼系統的骨折密切相關。在這些天氣下，特別是降雪導致冰冷濕滑，再加上風持續時間和風速等〔13〕天氣因素，增加跌倒的風險〔14〕，而跌倒與骨折發生率呈正相關〔15〕。日照時間長短不但與骨代謝密切相關，也與骨折發生風險呈負相關〔16〕。

對聚類進行CLUSTER后，第二部分主要為聚類0，2，5。這部分主要研究熱點是氣候對骨代謝指標，與OP骨折風險密切相關的指標，例如，跌倒、空氣污染、營養等的影響。在聚類0，2，5中，聚類0的山峰最為陡峭細長，體積小，頂峰顏色是紅色；說明該聚類內的文獻數量較少，研究主題內容較為集中。代表文獻為PMID7204964、PMID561518、PMID1623855。聚類2山峰體積要大于聚類0，陡峭程度略弱，頂峰顏色為紅色；說明該聚類內的文獻數量比聚類0多一些，研究主題內容基本也是較為集中。代表文獻為PMID24999874、PMID11700831、PMID21183469。聚類5山峰體積大于聚類2，陡峭程度最弱，峰頂顏色為淡黃色；說明該聚類內的文獻數量一般，研究主題內容松散。代表文獻為PMID12936933、PMID17245669、PMID25349931。這一部分主要研究氣候與骨代謝相關激素的改變對骨折風險的影響，還有氣候因素導致跌倒風險增加的原因和機制。影響骨骼代謝的全身激素包括甲狀旁腺激素(PTH)〔17〕，1，25-二羥維生素D，降鈣素，生長激素，糖皮質激素，甲狀腺激素，性腺激素和細胞因子〔18〕。與此同時，與骨代謝密切相關的維生素D和甲狀旁腺激素水平也存在季節性變化，冬天日曬少，骨代謝相關激素的變化可能會影響骨骼代謝，從而導致骨脆性增加〔19〕。氣候通過這些鈣調激素影響骨代謝，從而發揮其對骨的影響。

此外，氣候能增加跌倒的風險，從而增加骨折風險。通常在冬季發生的骨折比較多，冬天濕滑的路面(來自雪或雨)，能見度降低(起霧)，甚至動作笨拙(低溫)，都增加跌倒的風險。再加上溫度過低會穿衣服過多，協調性變差，降低了機動性，導致笨拙，更容易發生跌倒〔20〕。如果疊加上霧霾的存在，將會進一步加重髖部骨折發生率。在有霧的天氣中，小顆粒的灰塵，灰燼，粘土或沙子會懸浮在大氣中。在西班牙，大氣中存在撒哈拉沙漠中有懸浮的灰塵。這些自然污染物加上短期關聯的人工污染物二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2)〔21〕，很可能是導致歐洲南部地區髖部骨折發生率與季節氣候密切相關的主要原因〔22〕。

3 討 論

越來越多的研究顯示季節氣候與骨骼健康密切相關，季節氣候與髖部骨折的發生率密切相關。氣候對骨骼系統影響的流行病學調查研究主要集中在北半球較高緯度進行，氣候與天氣不同，它是大氣物理特征的長期平均狀態，具有一定的穩定性。時間跨度為月、季、年、數年到數百年以上。根據世界氣象組織(WMO)的規定，氣候以冷、暖、干、濕等特征來衡量，通常由某一時期的平均值和離差值表征。在較高緯度地區能觀察到了較為穩定的季節時間交替變化，可以觀察到界限較為分明的春、夏、秋、冬四季。以天文季節與氣候季節相結合來劃分四季，3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、上一年12月至當年2月為冬季。因此，季節變化常被研究者用于觀察氣候對骨骼系統及骨折的影響。本文采用熱點聚類的方法，通過gCLUTO軟件，將高度優化的凝聚算法、K-means算法、圖像聚類算法，應用到氣候對OP及骨折影響研究領域中，特別采用高維稀疏矩陣為研究者提供直觀的圖形界面，更利于研究者更快速捕捉到研究內容和關鍵的研究信息。

該研究方法更加科學，系統，全面地對季節氣候對骨骼系統，尤其是對OP骨折影響較大的4個最常見的氣候變量：溫度，降雪，風和日照進行了細致的科學分析。因為脆性骨折與死亡率增加有關，OP及其脆性骨折的后果是全世界最重要的公共衛生問題之一。對OP及脆性骨折的遺傳學研究發現：雙胞胎的骨密度變異的65%～80%是由遺傳因素決定的〔23〕。多種基因的遺傳多態性與低骨密度或脆性骨折相關〔24〕。但是，這些變異占骨密度和骨折風險的比例不足10%，這表明遺傳變異不是OP及脆性骨折的主要決定因素〔25〕。人群的環境暴露特征可能是疾病的主要驅動因素，應對OP的外因進行細致的研究，例如環境因素——氣候。而且由于大部分人口暴露于氣候中，這種暴露對疾病的影響是巨大的。最后，改善氣候因素有助于大大改善骨骼健康，預防骨折，降低與骨折有關的健康成本。