重金屬暴露與腎功能的關聯性研究:基于代謝綜合征人群的橫斷面研究證據

張皓文 王家林 朱勁剛 李彥君 鐘 旭 龍 剛 孫廣東 張 敏*

(1.天津醫科大學 人民臨床學院,天津 300121;2.天津市人民醫院 腎內科,天津300121)

代謝綜合征(Metabolic syndrome,Mets)是一種以腹部肥胖、胰島素抵抗、高血壓和高脂血癥為特征的病理狀況。據統計,其患者約占世界人口的四分之一[1]。慢性腎臟病(Chronic kidney disease,CKD)同樣是一個日益嚴重的公共健康問題,因為其高發病率以及復雜繁多的相關并發癥,造成了龐大的醫療負擔。根據全球疾病負擔最新的研究顯示,2017年全球約有6.975億CKD患者[2]。由于兩種疾病如此高的發病幾率,近年來越來越多的目光聚焦于兩種疾病的合并人群,近期,由美國心臟協會提出了關于心血管腎臟代謝綜合征的新概念[3],指出了代謝危險因素與心血管疾病及CKD之間的多維聯系,更是使得研究者們進一步關注Mets與CKD之間的共同聯系。有研究指出[4],在存在代謝功能障礙的人群中,脂肪組織功能紊亂通過釋放促炎和促氧化物質從而造成腎臟炎癥及纖維化,進而損害腎功能。

重金屬普遍存在于自然環境中,可經過皮膚接觸、呼吸道吸入或者口服等途徑進入人體,并對機體產生健康影響[5]。腎臟是一個可以濾過、重吸收和濃縮金屬離子的代謝器官。因此,它是一個對金屬高度敏感的器官。多項流行病學研究及動物實驗針對重金屬的腎毒性作用進行深入探索[6-7],但上述研究結果仍存在爭議。且由于血液中金屬的濃度受到多種因素(如性別、肥胖、吸煙、生活習慣等)的影響[8-10],而Mets患者自身的代謝紊亂狀態無疑是一種不可忽視的因素。作為一個高發的疾病人群,目前尚未有研究針對Mets患者開展重金屬暴露對腎功能的影響研究。因此,本研究擬基于美國營養與健康調查(National health and nutrition examination survey,NHANES)中2011—2018年的數據,通過評估血液中鎘(Cd)、鉛(Pb)、硒(Se)以及錳(Mn)的水平,研究Mets人群中重金屬暴露與CKD發生以及腎功能指標的相關性,從而為在Mets人群中精準防治腎臟并發癥尋求更好的科學依據。

1 實驗部分

1.1 研究人群和數據來源

本研究的數據來源于NHANES(2011—2018年)。NHANES由美國疾病預防控制中心牽頭開展,通過問卷調查,身體測量和實驗室檢查來評估參與者的健康和營養狀況,其相關數據和倫理批準可在美國衛生統計中心公開獲得[11]。2011—2018年4個周期中共納入研究參與者35 196人,其中代謝綜合征患者5 510人。在排除了年齡小于18歲(92人)、血肌酐及尿白蛋白肌酐比值、血尿酸,以及血液金屬數據測量數據缺失(1 571人)、懷孕,協變量缺失及無有效權重(1 373人)后,本研究共納入2 474人進行分析。

1.2 暴露測量

本研究檢測了血液中的4種重金屬(包括鉛、鎘、硒、錳)濃度。全血樣本依照實驗室程序手冊進行制備、儲存及分析,采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)定量評估血液樣品中重金屬的濃度[12]。當重金屬濃度低于檢出限(Limit of detection,LOD)時,采用將LOD除以2的平方根進行處理[13]。

1.3 代謝綜合征的定義

本研究僅納入患有代謝綜合征的人群進行分析。根據 NCEP ATPIII 標準診斷代謝綜合征,當存在以下 3 項或更多時,定義為代謝綜合征:向心性肥胖、高空腹血糖、高血清甘油三酯、高血清高密度脂蛋白、高膽固醇和高血壓[14]。

1.4 結局測量

估計的腎小球濾過率(Estimated glomerular filtration rate,eGFR)的計算根據CKD-EPI方程得出[15],CKD的定義為尿白蛋白肌酐比值(Urinary albumin to creatinine ratio,UACR)>30 mg/g或eGFR<60 mL/min(1.73 m2過濾面積)。本研究的主要結果指標包括CKD、eGFR、UACR和尿酸(Uric acid,UA)。

1.5 協變量

為了得到更為可靠的結果,通過參照既往的研究及臨床實踐,將以下因素納入協變量構建調整模型,包括:年齡(≥60、<60歲)、性別、種族(包括墨西哥裔美國人、其他西班牙裔、非西班牙裔白人、非西班牙裔黑人及其他種族)、受教育程度(高中以下、高中及同等學歷、高中以上)、家庭貧困收入比(Poverty-income ratio,PIR)、BMI(<25 kg/m2、≥25 kg/m2)、吸煙、飲酒、運動情況。PIR劃分為低(≤1.3)、中(1.3～3.5)、高(>3.5)。吸煙情況依據血清可替寧的水平分為低(<0.015 ng/mL)、中(0.015～3 ng/mL)、高(>3 ng/mL)三個水平。依據美國國立衛生院國家酒精濫用和酒精中毒研究所的定義,依據性別差異分為不飲酒、中度飲酒、重度飲酒(包含酗酒)[16]。體力活動則根據體力活動指南的建議,使用全球身體活動問卷對參與者進行訪問,并根據問卷結果將其劃分為低強度、中等強度、高強度三組[17]。

共患病的診斷標準中,糖尿病定義為:服用糖尿病藥物、空腹血糖≥7.0 mmol/L或糖化血紅蛋白≥6.5 mmol/L以及問卷調查回答曾經確診有糖尿病[18];高血壓則定義為:收縮壓≥140 mmHg(1 mmHg=133.322 Pa)或舒張壓≥90 mmHg、服用降壓藥物及問卷回答曾經確診有高血壓病史[19]。而血脂異常則定義為總膽固醇≥5.18 mmol/L,或甘油三酯≥150 mg/dL,或男性高密度脂蛋白膽固醇<1.04 mmol/L、女性<1.30 mmol/L,或低密度脂蛋白膽固醇≥3.37 mmol/L,或使用任何降脂藥物[20]。

1.6 統計學方法

在本研究中,嚴格參照NHANES指南,考慮其多階段的抽樣設計,使用合適的權重進行加權后分析。在統計學描述中,連續性變量計算加權平均值,分類變量計算其構成比。對于連續性變量及分類變量分別使用加權Studentt檢驗及加權卡方檢驗差異性檢驗。由于血液中金屬值呈的偏態分布,本研究對其進行了對數轉換以更好地擬合模型。使用加權Logistics回歸以及線性回歸探討Mets人群中血液重金屬暴露對CKD發生風險及腎功能指標的影響。模型1:粗模型,即僅納入血液重金屬濃度進行分析。模型2:在模型1的基礎上,進一步校正年齡、性別、種族、受教育程度、PIR、BMI、吸煙狀況、飲酒狀況和運動情況。根據年齡分組、性別、BMI分組、是否患有高血壓、是否患有糖尿病以及是否患有血脂異常進行亞組分析。雙側P<0.05被視為具有統計學意義。在本研究中,所有統計學分析均使用Empower Stats 4.1.0軟件及R 4.3.0軟件進行分析。

2 結果

2.1 參與者基線特征

本研究最終納入代謝綜合征患者2 474例,其中女性占比51.59%,平均年齡(54.36±0.45)歲,平均BMI為(33.41±0.26) kg/m2。在本研究中大多數納入患者為非西班牙裔白人(67.23%)、收入水平中等(37.67%)、中度吸煙(38.05%)、重度以上飲酒(39.70%)、教育程度較高(55.89%)、每日運動強度較低(52.73%)。

此外,發現在CKD組中,年齡、血Pb、UACR、UA及eGFR均高于無CKD組,而血Se則低于無CKD組,且差異有統計學意義(P<0.05),有關血液中腎功能指標與重金屬水平詳見表1。

表1 人群基線資料表(依據是否患有CKD分組)

2.2 Mets患者血液重金屬暴露與腎功能的關聯

根據回歸分析結果顯示,在未進行任何調整的模型中,血Pb及Cd與CKD發生、UACR、UA呈正向關聯,與eGFR則呈負向關聯;而Se與CKD發生呈現負向關聯,Mn則與eGFR層正向關聯,與UA呈現負向關聯(P<0.05)。在調整了年齡、性別、種族、PIR、教育程度、BMI、吸煙狀況、飲酒狀況、運動狀況后,血液中Pb與CKD發生(OR=1.32,95%CI:1.08～1.63)及血尿酸水平(β=0.03,95%CI:0.01～0.04)呈現正向關聯,而與eGFR水平(β=-0.06,95%CI:-0.07～-0.05)呈負向關聯;Cd與CKD患病呈正向關聯(OR=1.34,95%CI:1.07～1.67)而與eGFR呈負向關聯(β=-0.05,95%CI:-0.07～-0.04);Se水平與CKD發病(OR=0.33,95%CI:0.14～0.74)呈負向關聯;Mn與eGFR(β=0.11,95%CI:0.06～0.15)存在正向關聯(P<0.05),見表2。

表2 單一重金屬與代謝綜合征人群中腎功能標志物的關聯

2.3 亞組分析

在按照年齡、性別、BMI、CKD分期、高血壓、糖尿病及血脂異常病史分層的亞組分析中,發現在絕大多數亞組中,血液重金屬對于腎功能的影響與主模型的結果保持一致。Pb及Cd對CKD發生的影響在BMI<25 kg/m2的人群中尤為明顯(OR分別為2.79和2.49)。血Se對于腎功能的影響,在女性、年齡≥60、BMI≥25 kg/m2以及患有高血壓的人群中更為顯著。在各亞組中,血Mn對eGFR的正向關聯穩定存在,且未發現與其他腎功能標志物及CKD的顯著關聯,見表3。

表3 在代謝綜合征人群中血鉛(鎘、硒、錳)與腎功能指標相關性的亞組分析

3 討論

本研究通過使用NHANES數據庫2011—2018年的數據,基于代謝綜合征人群,探討了血液4種重金屬(Pb、Cd、Se、Mn)暴露與CKD及腎功能標志物(eGFR、UACR、UA)之間的關聯性。結果表明,在代謝綜合征人群中,Pb、Cd可能會造成腎臟損害,而Se及Mn的暴露可能對腎功能有保護作用。本研究為在特定人群之中血金屬與腎功能之間的相關性提供了參考,具有一定的公共衛生學價值和意義。

在既往的研究中已經證實了CKD的發生受到氧化應激作用的調控,而在代謝綜合征的人群之中,由于肥胖、血脂異常等多種因素的調控,使得氧化應激反應更為活躍。在本研究中,CKD的發病率達27.1%,遠高于普通人群[2]。Cd和Pb是人體內兩種非必需金屬,當血液中Cd以及Pb濃度升高時,Cd可以通過破壞抗氧化酶系統、誘導線粒體損傷以及減少活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的清除從而間接使機體內ROS水平上升,介導氧化應激反應的加重;而Pb則通過抑制抗氧化酶(諸如超氧化物歧化酶、葡萄糖-6磷酸脫氫酶等)的活性,直接增加ROS的水平[21]。此外由于Pb以及Cd的暴露可能會導致代謝綜合征人群中原有的胰島素抵抗的加重以及脂肪組織功能紊亂[22],從而增加炎癥因子(如腫瘤壞死因子α、白介素6、血管內皮生長因子等)的釋放[23],進一步損害腎功能。在一項針對亞洲一般人群的橫斷面研究中發現,血液中的Cd與Pb水平與eGFR存在負相關[24],同時KIM等[25]的研究中也證實,即使在低水平暴露時,血液中的Cd也與CKD的發生風險存在顯著正相關,這與本研究的結果相一致。然而LU等[26]在中國鉛污染地區的研究發現,成人的腎功能降低與血鉛水平并不存在顯著相關性,這與我們的研究結果有所差異。產生這種差異的原因可能是由于本研究基于代謝綜合征人群開展研究,該人群本身可能更易受到金屬毒性的影響;其次上述研究中人群來自鉛污染地區,環境中鉛濃度的不同以及個體差異同樣也會對研究結果造成差異。此外在亞組分析中發現,非超重或肥胖的代謝綜合征人群,Cd及Pb對其CKD發病的影響相對較大?？紤]到由于在本研究中BMI<25 kg/m2的人群樣本量相對較少,對此結果仍需大規模人群研究驗證。

而目前對于血Se暴露與腎臟損害之間的關系尚存在一定爭議,部分研究認為CKD的發生與血Se水平并無關聯性,甚至存在正相關[27]。XIE等[28]一項基于中國健康與營養調查數據的研究中發現,在普通人群中(特別是女性和中老年人群),高水平的Se攝入能在一定程度上降低CKD的發生風險,這與我們的研究結果相一致。由于我們的研究人群更為特殊,造成這種現象的原因可能與Se對于腎臟的保護作用受到多種代謝因素的影響[28],而在代謝綜合征的人群之中無疑會增加對于這種作用的敏感性。同樣,對于血Mn,發現其eGFR的降低存在負向關聯。 Mn參與多種與氧化應激相關的金屬酶合成。當體內Mn缺乏時,會導致Mn-SOD功能障礙,從而導致腎功能損害[29]。目前有關血Mn對腎臟影響的報道較少,在TSAI等[30]所進行的研究中發現,尿液中Mn含量與尿白蛋白水平升高有關,這與我們的研究結果相異。結果的差異性可能歸因于兩項研究所用生物樣本不同,且存在人群差異,因此,Mn對健康人群以及代謝綜合征人群腎功能的影響仍需前瞻性研究驗證。

4 結論

1)本研究使用了NAHNES數據庫,該數據庫具有全國代表性。這在一定程度上擴大了代謝綜合征人群的樣本量,有利于結果的可靠性;2)在研究中對4中血液重金屬物質進行分析,并進行了人口學因素、生活習慣等混雜因素的調整,結果仍然穩健;3)最后在不同人群中進行了亞組分析,以驗證結果的穩定性,同時為進一步的研究提供了參考。同樣的,與其他的NHANES研究相似,這項研究也具有如下缺點:1)由于這項研究是基于橫斷面數據所構建,所以無法深入探究其中的因果關系;2)由于許多混雜因素的收集是通過問卷調查完成的,可能會存在一定的回憶偏倚;3)由于刪除了重要數據缺失的患者,因此可能存在一定的選擇偏倚。

綜上所述,本研究為重金屬與代謝綜合征患者的腎功能之間的關系提供了證據,后續需進一步開展縱向研究來證明此種關聯,這可能對進一步探究腎臟代謝綜合征之間的關系具有重要意義。