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Association of long-term exposure to air pollution with arterial blood pressure and hypertension

Fuks, Kateryna

Bluthochdruck ist der wichtigste Risikofaktor für Mortalität und Morbidität weltweit. Daher besitzen Faktoren, die den Blutdruck erhöhen und auf große Teile der Bevölkerung einwirken, eine hohe Relevanz bei der Erforschung von kardiovaskulären Erkrankungen. Es gibt erste Hinweise darauf, dass Luftverschmutzung ein solcher Faktor ist. Der Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und kardiovaskulärer Morbidität und Mortalität ist in den letzten zwei Jahrzehnten eingehend untersucht und nachgewiesen worden. Einige Studien haben gezeigt, dass eine kurzfristige Erhöhung der Konzentration der Luftschadstoffe zu einer akuten Steigerung des Blutdrucks führen kann. Es wird vermutet, dass Langzeitexpositionen gegenüber Luftverschmutzung stärkere Auswirkungen auf den Blutdruck haben könnten. Außerdem könnte chronisch erhöhter Blutdruck als Teil des pathologischen Wirkungspfads verstanden werden, wie Luftverschmutzung zu Herz-Kreislauf Erkrankungen und Mortalität führen könnte. Bislang ist die Evidenz für den Zusammenhang zwischen langfristiger Belastung gegenüber Luftverschmutzung und arteriellem Blutdruck nicht ausreichend. Es ist außerdem nicht klar, welche Partikel, Gase und andere Komponenten der Luftverschmutzung für eine Erhöhung des Blutdrucks verantwortlich sein könnten. Auch der biologische Wirkungspfad der Luftverschmutzung auf den Blutdruck ist noch nicht etabliert beschrieben worden. Ziel dieser Studie war es, sowohl die Assoziation zwischen der langfristigen Luftschadstoffexposition und dem arteriellen Blutdruck, als auch mögliche zugrundeliegende Wirkungspfade, zu untersuchen. Die Forschungsfragen wurden mithilfe zweier methodischer Ansätze beantwortet: (1) Auswertung von Daten einer großen bevölkerungsbasierten Kohortenstudie und (2) Messung und statistische Auswertung von Daten aus einem Tierexperiment. Für den ersten methodischen Ansatz wurden Daten aus der Heinz Nixdorf Recall Studie, einer prospektiven Kohorte im Ruhrgebiet, ausgewertet. Langzeitkonzentrationen verschiedener Komponenten der Luftverschmutzung aus urbanem Hintergrund wurden mit einem Dispersions- und Chemie-Transport Modell geschätzt und den Wohnadressen der Studienteilnehmer zugewiesen. Blutdruckmessungen, Laboruntersuchungen, anthropometrische Messungen sowie Befragungen zum Lebensstil, zur Bildung, zu Vorerkrankungen und anderen Risikofaktoren wurden von geschulten Mitarbeitern anhand standardisierter Vorgaben durchgeführt und erfasst. Außerdem wurden Informationen über Verkehrslärm und der sozioökonomische Status der Nachbarschaft erhoben. Der Zusammenhang zwischen Langzeitbelastung gegenüber Luftschadstoffen mit dem gemessenen Blutdruck und einer Hypertonie wurden mit multiplen Regressionsmodellen analysiert, welche für relevante Kovariablen und die Einnahme von antihypertensiven Medikationen adjustiert wurden. Multi-Pollutant Modelle (Einbeziehung mehrerer Luftverschmutzungskomponenten) wurden berechnet, um die verantwortlichen Komponenten für eine Blutdrucksteigerung zu identifizieren. Die Analysen wurden sowohl im Querschnitt (Blutdruck, Prävalenz der Hypertonie) als auch im Längsschnitt (Inzidenz einer Hypertonie) durchgeführt. Die Analysen zeigten eine positive Assoziation zwischen der langfristigen Exposition gegenüber Feinstaub aus dem städtischen Hintergrund und einer Erhöhung des Blutdrucks. Dieser Zusammenhang war unabhängig von Expositionen gegenüber gasförmigen Luftschadstoffen (mit der Ausnahme von Ammoniak). Die Assoziation war linear, ohne Schwellenwert. Verkehrslärm, der sozioökonomische Status der Nachbarschaft und andere relevante Störfaktoren hatten auf diesen Befund keinen Einfluss. Zusätzlich weisen die Ergebnisse auf einen positiven Zusammenhang von langfristigen Ammoniak-Expositionen am Wohnort und Blutdruckwerten hin, welcher in weiteren Studien Bestätigung finden sollten. Assoziationen mit arterieller Hypertonie wurden nicht beobachtet. Im experimentellen Tierversuch wurde die 13-wöchige Exposition gegenüber Dieselabgasen und Stickstoffoxiden untersucht. Die Expression von Genen, die auf dem Wirkungspfad zwischen Luftverschmutzung und höheren Blutdruckwerten beteiligt sein können, wurde mithilfe quantitativer Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion in Mäuselungen gemessen. Die Exposition gegenüber Dieselabgasen und Stickoxide wirkte sich auf die Aktivität von fünf Genen aus: CYP1A1, NQO1, iCAM, iNOS und TNF. Die Produkte dieser Gene sind in den Fremdstoffmetabolismus, in Entzündungsprozesse, oxidativen Stress und Gefäßtonus-Regelung eingebunden. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass sich positive Assoziationen zwischen der langfristigen Exposition gegenüber Luftverschmutzung mit erhöhtem Blutdruck in einer bevölkerungsbasierten Kohorte zeigten. Erkenntnisse des experimentellen Teils dieser Studie deuten drauf hin, dass verkehrsbezogene Luftverschmutzungspartikel zu Entzündungen, oxidativem Stress und Gefäßreaktionen führen können, was wiederum den Bluthochdruck beeinflussen könnte. Blutdruck ist einer der wichtigsten modifizierbaren Risikofaktoren für Morbidität und Mortalität weltweit. Die Zahl der Hypertoniker in der Bevölkerung steigt stetig an. Eine relativ geringe Erhöhung des Blutdrucks aufgrund der Einwirkung von Luftverschmutzung könnte, auf Bevölkerungsebene, zu einer wesentlich höheren Belastung der Bevölkerung führen. Die Ergebnisse dieser Studie liefern Hinweise dafür, dass weitere Maßnahmen zur Verringerung der Luftverschmutzung zu erheblichen gesundheitlichen Vorteilen für die Bevölkerung führen könnten.

High blood pressure is a major determinant for mortality and disability in the developed world. Therefore, factors which increase blood pressure and which affect large populations have a high priority in cardiovascular health research. One of such factors may be ambient air pollution. The link between air pollution and cardiovascular morbidity and mortality has been established in the last two decades. There are studies showing that short-term elevations in air pollution can lead to increased blood pressure within hours or days. It has been suggested that long-term exposure to air pollution would have an even stronger effect on blood pressure. Moreover, chronically elevated blood pressure could be a part of the pathophysiologic mechanism on how exposure to air pollution can lead to cardiac events and mortality. So far, only few studies have investigated the effect of long-term exposure to air pollution on blood pressure, with mixed results. Multiple questions remain unanswered yet. Which pollutant (or pollutants) in the air pollution mixture could be responsible for blood pressure elevation? Is the association of air pollution with blood pressure confounded by the influence of concurrent residential exposures, such as road traffic noise and neighborhood deprivation? Finally, it is not clear through which biologic pathways air pollution could chronically increase blood pressure and lead to hypertension. It is likely that inflammation and oxidative stress, triggered by inhaled pollutants, play a central role in this process. Oxidative damage, autonomic nervous system imbalance, and vascular endothelial dysfunction could be some of the mechanisms involved in chronic blood pressure elevation following long-term air pollution exposure. The aim of this study was to investigate the effect of long-term air pollution and its specific components on blood pressure and hypertension and to investigate possible underlying pathophysiologic mechanisms. In the research part of this study, I applied two methodologies: (1) observational, including statistical analyses of the data from a prospective cohort study, and (2) experimental, using a controlled-exposure animal study. I conducted the observational part of this study using a population-based cohort, the Heinz Nixdorf Recall Study in the highly urbanized Ruhr area of Germany. Long-term concentra-tions of urban background air pollution (particulate and gaseous pollutants) at participants’ residences were modeled with dispersion and chemistry transport model. Related residential exposures (road traffic noise, area-level socio-economic status) were also assessed. Blood pressure was measured at baseline and after five years of follow-up with a standardized procedure. Information on cardiovascular risk factors, co-morbidities, lifestyle and socio-economic factors was collected. Cross-sectional and longitudinal multiple regression analyses were performed, taking into account relevant confounders, and the intake of blood pressure lowering medication. I also employed multi-pollutant models to identify the responsible compounds. I found a positive association of long-term exposure to fine particulate matter with blood pressure. This association was independent of gaseous pollutants (except ammonia), traffic noise, other co-exposures, and relevant confounders. The association of air pollution with blood pressure was linear and without a threshold. I also found a positive association of long-term ammonia exposure at residence with blood pressure, which should be confirmed in further studies. I observed no associations with prevalent or incident hypertension. In the experimental part of this study, I measured and compared gene expression in mice lungs after controlled 13-week exposure to diesel engine exhaust and nitrogen oxides. I found changes in the activity of the following genes: CYP1A1, NQO1, iCAM, iNOS, and TNFα. These genes are involved in xenobiotic metabolism, inflammation, oxidative stress and vascular tone regulation. In summary, I found a positive association of long-term exposure to air pollution with elevated blood pressure in a population-based cohort. This association is likely attributable to fine particulate matter and independent from co-exposure to most gases in the air pollution mixture, to road traffic noise, to residential deprivation, or from relevant confounders. My findings from the experimental part of this study provide supportive evidence that traffic-related air pollution can induce inflammation, oxidative stress and vascular reactions, which might favor hypertension in the long run.

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Fuks, Kateryna: Association of long-term exposure to air pollution with arterial blood pressure and hypertension. 2015.

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