Effects of long-term air pollution and greenness exposures on mortality and respiratory health. The Life-GAP project

Abstract

Bakgrunn: Luftforurensning er en betydelig risikofaktor for menneskers lungehelse, mens grøntområder—områder dekket med vegetasjon som busker, gress og trær—anses som fordelaktige. Forholdet mellom langvarig eksponering for luftforurensning og grøntområder og deres kombinerte påvirkning på dødelighet og lungehelse, særlig med hensyn til ulike eksponeringstidspunkter flere tiår tilbake i tid, er imidlertid mindre undersøkt og med uklare konklusjoner.

Mål: Denne avhandlingen har som mål å undersøke sammenhenger mellom langvarig eksponering for luftforurensning og grøntområder på tvers av ulike eksponeringstidspunkter med dødelighet (Artikkel I), forekomst av selvrapportert kronisk bronkitt (KB) eller kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS) (KB/KOLS) (Artikkel II), og kumulativ forekomst av respirasjonsrelaterte legevaktbesøk og sykehusinnleggelser (Artikkel III) — i syv studiesentre i Nord-Europa, inkludert Reykjavik (Island); Umeå, Uppsala og Göteborg (Sverige); Aarhus (Danmark); Bergen (Norge); og Tartu (Estland).

Metoder: Denne avhandlingen brukte data fra to hovedkilder: Respiratory Health in Northern Europe (RHINE) studien for Artikkel I og II, og nord-europeiske sentre i European Community Respiratory Health Survey (ECRHS) for Artikkel III. Bostedsbaserte luftforurensningskonsentrasjoner ble vurdert ved bruk av en kombinasjon av Danish Eulerian Hemispheric Model og Urban Background Model i alle sentre bortsett fra Tartu, hvor Eulerian spredningsmodell for luftkvalitet fra AirViro Air Quality Management System ble brukt. Disse modellene vurderte gjennomsnittskonsentrasjoner pr år av partikler (PM2.5 og PM10), svart karbon (BC), nitrogendioksid (NO2), og ozon (O3). Grøntområder ble kvantifisert ved hjelp av den satellittbaserte vegetasjonsindeksen NDVI.

For Artikkel I koblet vi RHINE-data til nasjonale dødsårsaksregistre og benyttet Cox proporsjonal hasardmodell for å undersøke sammenhenger mellom eksponering for luftforurensning og grøntområder i 1990, 2000, og 2010 med dødelighet i perioden 2010-2021. Artikkel II brukte Poisson-regresjon for å analysere sammenhengen mellom de samme eksponeringsperiodene som i Artikkel I og forekomsten av selvrapportert KB/KOLS fra 2010-2023. Artikkel III brukte modifisert blandet effekt Poisson-regresjon med robuste standardfeil for å undersøke sammenhenger mellom eksponering for luftforurensning og grøntområder i 1990, 2000, og perioden 1990-2000 med kumulativ forekomst av respirasjonsrelaterte legevaktbesøk og sykehusinnleggelser, registrert i løpet av ECRHS II og III. For alle studiene undersøker vi samspillet mellom luftforurensning og grøntområder i forhold til utfallene. For Artikkel III vurderte vi også samspillet mellom NDVI og atopisk status (definert som neseallergi og høysnue) på respirasjonsrelaterte legevaktbesøk og sykehusinnleggelser.

Resultater: Artikkel I: I løpet av oppfølgingen av 9,135 voksne fra 2010 til 2021 ble 327 dødsfall observert. Eksponering for PM2.5, PM10, BC og NO2 i 1990-perioden var assosiert med høyere dødelighetsrisiko for alle årsaker med hasard ratioer på 1.40 (95 % KI: 1.04–1.87 per 5 μg/m3) for PM2.5, 1.33 (95 % KI: 1.02–1.74 per 10 μg/m3) for PM10, 1.16 (95 % KI: 0.98–1.38 per 0.4 μg/m3) for BC, og 1.17 (95 % KI: 0.92–1.50 per 10 μg/m3) for NO2. Ingen sammenhenger ble observert mellom luftforurensning og dødelighet i andre tidsvinduer. O3 viste en tendens til en invers sammenheng med dødelighet, mens ingen sammenheng ble funnet mellom grøntområder og dødelighet. Vi fant heller ingen signifikant interaksjon mellom NDVI og luftforurensning på dødelighet.

Artikkel II: Av 5,355 voksne fulgt i gjennomsnitt 10,7 år, ble 328 nye tilfeller av KB/KOLS observert. Til tross for betydelig statistisk usikkerhet ble det notert en tendens til en positiv sammenheng mellom NO2-eksponering og insidens av KB/KOLS. Hver økning på 10 μg/m3 i NO2 var assosiert med økte insidensrateforhold på 1.13 (95% KI: 0.90–1.41) i 1990, 1.18 (95% KI: 0.96–1.45) i 2000, og 1.14 (95% KI: 0.96-1.35) i 2010. O3 viste en potensiell invers sammenheng med insidens av KB/KOLS. Ingen konsistente sammenhenger ble funnet mellom PM, BC, NDVI, og insidens av KB/KOLS på tvers av de ulike eksponeringstidspunktene. Ingen signifikant interaksjon mellom luftforurensning og NDVI på insidens av KB/KOLS ble observert.

Artikkel III: Analysen involverte 1,675 deltakere, hvorav 119 rapporterte respirasjonsrelaterte legevaktbesøk og 48 rapporterte respirasjonsrelaterte sykehusinnleggelser over en gjennomsnittlig oppfølging på 11,3 år. En økning på 5 µg/m3 i PM2.5 var knyttet til en høyere relativ risiko (RR) for legevaktbesøk, med RR på 1.16 (95% KI: 1.00-1.35) i 1990, 1.24 (95% KI: 0.98-1.57) i 2000, og 1.17 (95% KI: 0.97-1.41) for 1990-2000. Sykehusinnleggelser fulgte et lignende mønster, med RR på 1.42 (95% KI: 1.00-2.01) i 1990, 2.20 (95% KI: 1.43-3.38) i 2000, og 1.44 (95% KI: 1.04-2.00) for 1990-2000. PM10, BC, og NO2 viste lignende positive trender, men kun sammenhengen mellom PM10 og sykehusinnleggelse nådde signifikant nivå på tvers av alle perioder. Ingen konsistente sammenhenger ble observert med O3. Signifikante interaksjoner mellom NDVI, BC, og O3 ble observert i spesifikke tidsvinduer for legevaktbesøk og sykehusinnleggelser. I tillegg ble det observert signifikante interaksjoner mellom NDVI og atopisk status på legevaktbesøk på tvers av alle eksponeringsperioder, med p-verdier < 0.05. En høyere NDVI var knyttet til en økt risiko for legevaktbesøk, spesielt blant dem med atopisk status, og hver 0.1 enhets økning i NDVI var assosiert med en RR på 1.28 (95% KI: 1.19-1.39) i 2000. Derimot viste NDVI konsekvent en beskyttende sammenheng med sykehusinnleggelser, men med lavere presisjon.

Konklusjon: Eksponering for PM2.5, PM10, BC, og NO2 i 1990 var assosiert med økt dødelighet 20-30 år senere. Sammenhengene mellom O3 og NDVI med dødelighet var uklare. I tillegg kan langvarig eksponering for NO2 øke risikoen for KOLS-insidens, selv om presisjonen i dette funnet er lav. Sammenhengen mellom PM2.5, PM10, BC, O3, og NDVI med KOLS-insidens forblir uklar. I tillegg var langvarig eksponering for partikler assosiert med økte legevaktbesøk og sykehusinnleggelser, og også betydelige sammenhenger observert for BC og NO2 angående respirasjonsrelaterte sykehusinnleggelser ved bruk av 1990-eksponering. Ingen sammenhenger ble funnet mellom O3 og legevaktbesøk eller sykehusinnleggelser. NDVI viste beskyttende trender mot sykehusinnleggelser, men var assosiert med en høyere risiko for legevaktbesøk hos personer med atopi. Gitt muligheten for langvarige latensperioder, antyder disse funnene at eksponering for luftforurensning langt tilbake i tid kan ha varige effekter på dødelighet og lungehelse.

Background: Air pollution is a significant risk factor for respiratory health, whereas greenness—areas covered with vegetation like shrubs, grass, and trees—is commonly considered beneficial. However, the relationship between long-term exposure to air pollution and greenness and their combined impact on mortality and respiratory health, especially considering various exposure time windows over decades, remains less investigated and inconclusive.

Aims: This thesis aims to investigate the associations of long-term exposure to air pollution and greenness across different exposure time windows with all-cause mortality (Paper I), with incidence of self-reported chronic bronchitis (CB) or chronic obstructive pulmonary disease (COPD) (CB/COPD) (Paper II), and with cumulative incidence of respiratory emergency room visits and hospitalizations (Paper III)—across seven study centers in Northern Europe, including Reykjavik, Iceland; Bergen, Norway; Aarhus, Denmark; Umea, Uppsala, and Gothenburg, Sweden; and Tartu, Estonia.

Methods: This thesis used data from two main sources: the Respiratory Health in Northern Europe (RHINE) study for Papers I and II, and Northern European centers in the European Community Respiratory Health Survey (ECRHS) for Paper III. Residential air pollution concentrations were assessed using a combination of the Danish Eulerian Hemispheric Model and the Urban Background Model in all centers except Tartu, where the Eulerian air quality dispersion model from the AirViro Air Quality Management System was used. These models assessed concentrations of mean annual particulate matter (PM2.5 and PM10), black carbon (BC), nitrogen dioxide (NO2), and ozone (O3). Greenness was quantified using the satellite-derived normalized difference vegetation index (NDVI).

For Paper I, we linked RHINE data to the national cause of death registries and employed Cox proportional hazard models to examine the associations between air pollution and greenness exposures in 1990, 2000, and 2010 with all-cause mortality during 2010-2021. Paper II utilized Poisson regression to analyze the association between the same exposure periods as in Paper I and the incidence of self-reported CB/COPD from 2010-2023. Paper III used the modified mixed-effects Poisson regression with robust standard error to examine the associations between air pollution and greenness exposure in 1990, 2000, and mean level 1990-2000 with cumulative incidence of respiratory emergency room visits and hospitalizations, recorded during the ECRHS II and III phases. For all studies, we also examined the interaction between air pollution and greenness on the outcomes. For Paper III, we additionally assessed the interaction between NDVI and atopic status (defined by nasal allergies and hay fever status) on respiratory emergency room visits and hospitalizations.

Results: Paper I: During the follow-up of 9,135 adults from 2010 to 2021, 327 deaths were observed. Exposure to PM2.5, PM10, BC and NO2 in the 1990 time period was associated with higher all-cause mortality hazard ratios of 1.40 (95 % CI 1.04–1.87 per 5 μg/m3) for PM2.5, 1.33 (95 % CI: 1.02–1.74 per 10 μg/m3) for PM10, 1.16 (95 % CI: 0.98–1.38 per 0.4 μg/m3) for BC, and 1.17 (95 % CI: 0.92–1.50 per 10 μg/m3) for NO2. No associations were observed between air pollution and mortality in other time windows. O3 showed a tendency for an inverse association with mortality, while no association was found between greenness and mortality. We did not find significant interaction between NDVI and air pollution on mortality. Paper II: Of 5,355 adults followed over an average of 10.7 years, 328 incident cases of CB/COPD were observed. Despite considerable statistical uncertainty, a trend towards a positive association was noted between NO2 exposure and the incidence of CB/COPD. Each 10 μg/m³ increase in NO2 was associated with increased incidence rate ratios of 1.13 (95% CI: 0.90–1.41) in 1990, 1.18 (95% CI: 0.96–1.45) in 2000, and 1.14 (95% CI: 0.96-1.35) in 2010. O3 showed a potential inverse association with CB/COPD incidence. No consistent associations were found between PM, BC, NDVI, and CB/COPD incidence across the various exposure time windows. No significant interaction between air pollution and NDVI on CB/COPD incidence was observed. Paper III: The analysis involved 1,675 participants, with 119 reporting respiratory emergency room visits and 48 reporting respiratory hospitalizations over an average follow-up of 11.3 years. An increase of 5 µg/m³ in PM2.5 was linked to a higher relative risk (RR) of emergency room visits, with RR of 1.16 (95% CI: 1.00-1.35) in 1990, 1.24 (95% CI: 0.98-1.57) in 2000, and 1.17 (95% CI: 0.97-1.41) for 1990-2000. Hospitalizations followed a similar pattern, with RR of 1.42 (95% CI: 1.00-2.01) in 1990, 2.20 (95% CI: 1.43-3.38) in 2000, and 1.44 (95% CI: 1.04-2.00) for 1990-2000. PM10, BC, and NO2 displayed similar positive trends, but only the association between PM10 and hospitalization reached significant level across all periods. No consistent association was observed with O3. Significant interactions between NDVI, BC, and O3 were noted in specific time windows for emergency room visits and hospitalizations. Moreover, significant interactions between NDVI and atopic status on emergency room visits were observed across all exposure periods, with p-values < 0.05. A higher NDVI was linked to an increased risk of emergency room visits, particularly among those with atopic status, each 0.1 unit increase in NDVI was associated with RR of 1.28 (95% CI: 1.19-1.39) in 2000. Conversely, NDVI showed a consistent protective association with hospitalizations, but the precision was low.

Conclusion: Long-term exposure to PM2.5, PM10, BC, and NO2 in 1990 exposure was associated with increased all-cause mortality 20-30 years later. The associations between O3 and NDVI with mortality were inconclusive. Additionally, long-term exposure to NO2 may increase the risk of COPD incidence, though the precision of this finding is low. The association between PM2.5, PM10, BC, O3, and NDVI with COPD incidence remains unclear. Additionally, long-term particulate matter exposure was associated with increased emergency room visits and hospitalizations, with significant links observed for BC and NO2 regarding respiratory hospitalizations when using the 1990 exposure. No relationships were found between O3, and emergency room visits or hospitalizations. NDVI presented protective trends against hospitalizations but was associated with a higher risk of emergency room visits in individuals with atopic conditions. Given the possibility of extended latency periods, these findings suggest that air pollution exposure far back in time may have enduring effects on mortality and respiratory health.