低浓度重金属暴露通过 α-Klotho 影响慢性肾脏病风险：揭开隐藏在环境与健康之间的奥秘

《Scientific Reports》：The association between low-concentration heavy metal exposure and chronic kidney disease risk through α-klotho

这篇研究通过机器学习筛选污染物，利用 NHANES 数据，经多种分析方法发现，重金属对慢性肾脏病（CKD）风险影响大，低浓度混合金属暴露与 CKD 风险呈负相关，α-Klotho 在汞与 CKD 关联中有中介作用，为揭示相关机制提供依据。

　　

研究背景

慢性肾脏病（CKD）患病率不断上升，已成为重要的公共卫生问题。其患病率的增加无法完全用传统致病因素解释，环境污染物可能是潜在风险因素。全球工业化和城市化进程加快，环境污染加剧，肾脏作为主要排泄器官，易受环境污染物影响。重金属是饮用水和食物中对人体健康威胁最大的污染物之一，人类活动导致其在环境中的浓度不断增加。过去研究多关注单一重金属对 CKD 风险的影响，而本研究评估金属混合物的联合效应。此外，Klotho 基因与肾脏保护有关，α-Klotho 水平与 CKD 严重程度和预后相关，但重金属暴露是否通过降低 α-Klotho 蛋白水平增加 CKD 风险尚不清楚。本研究旨在比较不同污染物对 CKD 风险的影响，分析金属暴露与 CKD 风险的关系，并探索 α-Klotho 的中介作用。

研究方法

1. 数据来源：数据来自美国国家健康和营养检查调查（NHANES），选取 2007 - 2016 年 5 个周期中 40 - 79 岁的 2415 名成年人，排除多种数据缺失及怀孕的参与者，并创建扩展队列以减少选择偏倚。
2. 定义：CKD 定义为估算肾小球滤过率（eGFR）<60 mL/min/1.73 m2 或白蛋白尿（尿白蛋白与肌酐比值 [UACR]≥30 mg/g），eGFR 通过 CKD-EPI 方程计算，白蛋白尿通过 UACR 确定。
3. 污染浓度测量：采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析尿中重金属浓度，用其他多种方法检测农药、多环芳烃（PAHs）等污染物浓度。
4. α-Klotho 测量：使用 ELISA 试剂盒测量空腹血样中血清 α-Klotho 浓度，遵循严格的实验标准。
5. 协变量评估：选择年龄、性别、种族、教育程度等作为协变量，根据先验知识和有向无环图确定潜在混杂因素。
6. 统计分析：运用均值插补和 k 近邻（KNN）插补处理缺失值，通过比较选择更高效的插补方法。使用随机森林分类器（RF）、梯度提升分类器（GB）等 4 种监督机器学习模型预测 CKD 风险，用 SHAP 值解释模型。重建包含完整数据的队列，进行多种统计分析，包括逻辑回归、贝叶斯核机器回归（BKMR）、中介分析等，还用两样本孟德尔随机化（MR）分析验证因果关系。

研究结果

1. 污染物优先级筛选：使用 KNN 插补数据训练机器学习模型，XGB 模型预测性能最高。SHAP 分析显示，重金属对 CKD 风险影响最大，镉（Cd）、铊（Tl）、铅（Pb）和汞（Hg）在 51 种污染物中排名靠前。
2. 人群特征：最终组和扩展队列人群特征相似。CKD 患者与非 CKD 患者相比，年龄、家庭贫困收入比、BMI、高血压和糖尿病患病率等存在差异，CKD 患者尿 Cd 水平较高，尿 Hg 和 Tl 水平较低。
3. 尿重金属浓度与 CKD 风险的关系：未调整的逻辑回归显示，高 Cd 水平与 CKD 风险增加相关，高 Tl 水平与 CKD 风险降低相关。调整混杂因素后，Tl 和 Pb 浓度与 CKD 风险的关联显著，Cd 和 Hg 的关联不显著。
4. 金属混合物与 CKD 的关系：BKMR 模型中，Tl 和 Pb 对 CKD 风险贡献显著，低浓度重金属混合物暴露与 CKD 风险呈负相关。GAMs 显示，Tl 和 Pb 暴露浓度与 CKD 风险呈显著非线性负相关，Hg 暴露浓度与 CKD 风险的负相关及 Cd 暴露浓度与 CKD 风险的正相关不显著。
5. 亚组和敏感性分析：分层分析表明，金属暴露与 CKD 风险的关联在不同年龄和性别组中无差异，但吸烟和饮酒状态可能影响这种关联。敏感性分析显示，排除糖尿病或高血压患者及金属浓度异常值后，结果仍稳健。
6. α-Klotho 水平、尿金属浓度和 CKD 风险的关系：调整混杂因素后，Hg 与 α-Klotho 呈显著正相关，α-Klotho 是 CKD 的保护因素，α-Klotho 在 Hg 与 CKD 风险关联中起显著负向中介作用。MR 分析表明，较高的 α-Klotho 水平与降低的 CKD 风险相关。

研究结论

本研究对污染物进行优先级筛选，发现重金属对 CKD 风险影响最大，低浓度混合金属暴露与 CKD 风险呈负相关，α-Klotho 在 Hg 暴露与 CKD 风险关联中起中介作用。然而，本研究存在局限性，如横断面设计、可能存在未测量的混杂因素、未确定因果关系以及研究人群同质性较高等。未来需要进一步研究来验证这些发现，并深入探索潜在机制。