Möglichkeiten und Grenzenumweltepidemiologischer Studien

– am Beispiel Feinstaub

Norbert Englert,Umweltbundesamt Berlin

Untersuchungsansätze (1)

++(+)?KasuistikEpidemio-

logie

Human-experiment

TierversuchZellkultur

Exposition

+++(-) ?

++-(↑)(+)(+)+↑(-)?+?

Metabo-lismus

PfadDauerHöhe

Untersuchungsansätze (2)

+(+)Epidemiologie

+(+)Kasuistik

?(+)Humanexperiment

(+)+Tierversuch

(+)(+)Zellkultur

ethischpraktischWirkungserfassung

Untersuchungsansätze (3)

++Epidemiologie

??Kasuistik

-+Humanexperiment

++Tierversuch

++Zellkultur

Expositions-zeit lang

Expositions-zeit kurz

Ansatz

Untersuchungsansätze (4)

?+Epidemiologie

??+Kasuistik

++Humanexperiment

+?Tierversuch

(+)?Zellkultur

Aussage über

Kausalität

Übertragbarkeitauf den

Menschen

Ansatz

Hill, Austin Bradford (1897-1991)Britischer Epidemiologe undStatistiker. Hat zusammen mitWilliam Richard Doll in einer Studiemit über 30.000 britischen Ärztenals erster die Verbindung zwischenZigarettenrauchen und Lungenkrebsgezeigt.

Epidemiologie und KausalitätHill-Kriterien:•      Stärke der Assoziation•      Konsistenz (wiederholt beobachtet?)•      Spezifität•      Zeitlicher Ablauf•      Biol. Gradient (Dosis-Wirkungs-Kurve)•      (Biologische) Plausibilität•      Kohärenz•      Experiment•     Analogie

Sir Austin Bradford Hill, Proc. Royal Soc. Med. 58 (1965) 295-300

Stärke der Assoziation

1,0074 (1,0062-1,0086)Mortalität

1,0080 (1,0048-1,0112)Respiratorisch bedingteKrankenhausaufnahmen

1,0324 (1,0185-1,0464)Untere Atemwegs-symptome

1,0356 (1,0197-1,0518)Husten

RR für PM10 (10 µg/m³) (95%-Konfidenzintervall)

Wirkungsendpunkt

WHO AQG, 2000

Zigarettenrauchen RR 5 - 10

Wirkung mit Exposition:

Wirkung ohne Exposition=

Relatives Risiko (RR)

Konsistenz (1)

Beobachtungen (Zeitreihen) in§Europa§Mittel- und Südamerika§USA§Asien

Aber:Ähnliche statistische Auswertungsmodelle

Konsistenz (2)

HEI (Health Effects Institute)

Particle Epidemiology Evaluation Project(Reanalyse von Zeitreihen-Untersuchungen):

⇒Ergebnisse prinzipiell bestätigt.

Particle Epidemiology Reanalysis Project(Reanalyse von 2 Kohorten-Studien):

⇒Ergebnisse prinzipiell bestätigt.

Spezifität (1)

HEI (Health Effects Institute):

Increased relative risk of mortality may beattributed to more than one component of thecomplex mix of ambient air pollutants in urbanareas in the United States.

Das erhöhte RR für Mortalität kann mehr alseiner Komponente des komplexen Gemischesvon Luftverunreinigungen in städtischenGebieten der USA zugeschrieben werden.

Spezifität (2)

Inhalation und andere Ursachen

Zeitlicher Ablauf

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

200

400

600

800

1000

1200

1400

Mort./d mg/m³ 12/1952

2,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,4

Logan, The Lancet, Feb. 14, 1953

Biologischer Gradient

At low levels of (short-term) exposure (defined as0-100 µg/m³ for PM10), the exposure-responsecurve fits a straight line reasonably well.

Bei niedriger Expositionshöhe (Kurzzeit, 0-100µg/m³ PM10) stimmt die Expositions-Wirkungs-Kurve recht gut mit einer Geraden überein.

WHO AQG, 2000

Abweichung der täglichen Mortalität vom 15-Tage-Durchschnitt und Konzentration von Black Smoke

100+ 200+ 300+ 400+ 500+ 600+ 800+ 1200+

0

10

20

30

40

-10

-20

-30

Ware et al., Env Health Persp 41 (1981) 255-276

Kohärenz

SymptomeErkrankungen

Mortalität

Experiment (1)

Wirkungen, soweit möglich,

auch im Experiment zu beobachten,

aber erst bei deutlich höheren Konzentrationen.

Experiment (2)Luftverschmutzung in Dublin

Black smoke SO20

10

20

30

40

50

60

1984-901990-96

Lancet 360 (2002) 1210-1214

Jahresmittelwert in µg/m³

Experiment (3)Todesfälle auf 1000 Personenjahre

in Dublin

TM CVM RM OM0

2

4

6

8

10

1984-901990-96

Lancet 360 (2002) 1210-1214

Zusammenfassung Kausalität

Statistische Assoziation Feinstaub – WirkungenWahrscheinlich kausal

Aber:•Nur oder auch Staub ?•Welche Komponente ?•Welche Gruppen ?

Nur oder auch Staub ? (1)

SO2 und Staubê

Staubê

Staub und SO2

Nur oder auch Staub ? (2)

Meßfehler bei Exposition

è In 2-Komponenten-Modellen wird Effekt eher der Meßgröße mit dem geringeren Fehler zugeschrieben

Kollinearität

Wenn parallel, dann nicht auftrennbar

Welche Komponente ? (1)

< 0,1 µmUltrafeinstaub

< 2,5 µmPM2,5

2,5 – 10 µmPM2,5-10

< 10 µmPM10

0 – 30+ µmGesamtstaub

KorngrößeBezeichnung

Welche Komponente ? (2)

§Korngröße bestimmt Depositionsort§Korngröße, Herkunft und

Inhaltsstoffe nicht unabhängig

Welche Komponente ? (3)

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30TSP TSP-PM10 PM10

µg/m³

Dockery et al., NEJM 329 (1993) 1753-9

Welche Komponente ? (4)

Dockery et al., NEJM 329 (1993) 1753-9

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30PM10 PM10-PM2,5 PM2,5

µg/m³

Welche Komponente ? (5)

Dockery et al., NEJM 329 (1993) 1753-9

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30PM2,5 PM2,5-Sulf Sulfat

µg/m³

Welche Komponente ? (6)

EPA/600/P-95/00cF Air Quality Criteria for Particulate Matter

0 5 10 15 20 25 300,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

MF

Welche Gruppen ? (1)

Logan, The Lancet, Feb. 14, 1953

<01 1-44 45-64 65+0

10

20

30

40

50

60

70

80

29/1106/1213/1220/1227/1203/01

Welche Gruppen ? (2)

ACS, HEI Reanalysis, 2000

Alle CV Resp. Lu.Ca. And. Carc. Sonst.0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5 < High SchoolHigh School> High School

Kohortenstudien (Mortalität):

Lebenserwartung vermindert um ca. 1 Jahrpro 10 µg/m³ PM10

Möglichkeiten und Grenzenumweltepidemiologischer Studien

•Richtige Spezies•Realistische (Expositions)-Bedingungen•Kurz- und Langzeitbeobachtungen•Viele Probanden•Ethische Probleme eher gering

Möglichkeiten und Grenzenumweltepidemiologischer Studien

•Expositionshöhe und –erfassung•Wirkungserfassung eingeschränkt•Viele Variablen und Störfaktoren•Oft geringe Effektstärke•Viel Statistik und Modellierung•Kausalität ?

Umwelt

sozial Arbeitsplatz anthropogen natürlich

Verhalten

Wohnen

Aktivitäten

Luft

Wasser

BodenNahrungs-

mittel

ChemikalienVirenBakterienToxine

Strahlung

Klima

Individuum

IV