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Air pollution, air temperature and the influence on cause-specific mortality and morbidity
Air pollution, air temperature and the influence on cause-specific mortality and morbidity
Epidemiological studies have shown that short-term changes in air pollution and air temperature have an impact on cardiovascular and respiratory health. However, only a few studies have investigated the association between ultrafine particles (UFP) with a diameter <100 nm (0.1 µm) and cardio-respiratory health so far and especially results from Eastern Europe are rare. Moreover, finding the underlying biological mechanisms, which explain the relationships between environmental changes and cardiovascular health, remains a major challenge. Investigating specific characteristics such as endothelial function in association with environmental stimuli might help to clarify potential biological pathways. The main objectives of this thesis were to investigate short-term associations between air pollution and daily cause-specific mortality as well as hospital admissions in five Central and Eastern European cities (Augsburg, Chernivtsi, Dresden, Ljubljana and Prague) within the EU-project UFIREG. To investigate potential biological mechanisms explaining the associations between air pollution or air temperature and cardiovascular diseases we also examined the influence of short-term changes in air temperature and ozone on markers of endothelial function in individuals with type-2 diabetes (T2D) within the DEPS panel study in Chapel Hill in North Carolina, USA. Our results of the UFIREG study indicated delayed and prolonged effects of UFP exposure on respiratory mortality and hospital admissions in Central and Eastern Europe. Although our results on UFP and respiratory health outcomes were not statistically significant, we consider these findings as potentially important. Further, we assume that the short study period might be one explanation for the non-significant associations. PM2.5 exposure was associated with delayed and prolonged effects on cardiovascular and respiratory mortality and morbidity. We observed a stronger association between PM2.5 and respiratory hospital admissions compared to results from other European regions and the U.S. Our findings of the DEPS panel study suggested a linear association between temperature decreases as well as ozone increases and markers of endothelial function in individuals with T2D. We observed immediate and delayed decreases in flow-mediated dilatation of the brachial artery, a marker of endothelial function, in association with a decrease in temperature as well as with an increase in ozone. This thesis adds to the existing knowledge in the field of short-term effects of air pollution since it reports results on the association between UFP and cause-specific mortality and morbidity from Central and Eastern European cities. Results of the UFIREG project indicated that it is important to integrate UFP into routine measurement networks to provide data for future short- and long-term epidemiological studies. Further studies are needed investigating the association between UFP and (cause-specific) mortality and morbidity at multiple locations using harmonized UFP measurements. This thesis also discusses short-term changes in endothelial function in response to temperature decreases and ozone increases. We conclude that endothelial dysfunction might be one of the possible biological pathways explaining the association between environmental changes and cardiovascular events that have been observed worldwide., Epidemiologische Studien haben gezeigt, dass sich Tag-zu-Tag-Veränderungen in Luftschadstoffkonzentrationen sowie der Lufttemperatur auf die menschliche Gesundheit auswirken. Bisher haben jedoch nur wenige Studien den Zusammenhang zwischen ultrafeinen Partikeln (UFP) mit einem Durchmesser <100 nm (0.1 µm) und kardio-respiratorischen Gesundheitsparametern untersucht. Des Weiteren gibt es bisher wenige Ergebnisse aus osteuropäischen Ländern. Die Untersuchung spezifischer Merkmale wie zum Beispiel die Endothelfunktion, geben einen Einblick in mögliche biologische Mechanismen, die Herzkreislauferkrankungen, die im Zusammenhang mit Umweltveränderungen auftreten, erklären können. Die Hauptziele dieser Dissertation waren, die Kurzzeitauswirkungen von ultrafeinen und feinen Partikeln auf die tägliche ursachenspezifische Mortalitäts- und Krankheitsrate in fünf zentral- und osteuropäischen Städten (Augsburg, Czernowitz, Dresden, Ljubljana und Prag) im Rahmen des EU-Projekts UFIREG zu untersuchen. Darüber hinaus untersuchten wir Veränderungen der Endothelfunktion bei Patienten mit Typ-2 Diabetes (T2D) in Zusammenhang mit einem kurzzeitigen Temperaturanstieg sowie einem Anstieg der Ozonkonzentration. Dieser Zusammenhang wurde innerhalb der DEPS Panel Studie in Chapel Hill, North Carolina, USA analysiert und könnte einen Aufschluss über mögliche biologische Mechanismen geben, wie Umweltveränderungen zu Herzkreislauferkrankungen führen können. Ergebnisse des UFIREG Projekts zeigten einen Anstieg der Todesfälle und Krankenhauseinweisungen auf Grund von respiratorischen Erkrankungen in Zusammenhang mit einer kumulativen UFP Exposition. Die Einflüsse von UFP auf respiratorische Erkrankungen und Todesursachen waren zwar nicht statistisch signifikant, dennoch bewerten wir die Ergebnisse als wichtig. Die kurze Studienperiode könnte eine mögliche Erklärung für die nicht signifikanten Ergebnisse sein. Darüber hinaus zeigte ein Anstieg der PM2.5-Konzentration einen Zusammenhang mit kardiovaskulärer sowie respiratorischer Mortalität und Morbidität. Unsere Ergebnisse des UFIREG Projekts zeigen einen stärkeren Zusammenhang zwischen PM2.5 und respiratorischer Krankenhauseinweisungen als Studien, die in anderen europäischen Regionen und den USA durchgeführt wurden. Die Ergebnisse der DEPS Panel Studie weisen auf eine lineare Assoziation zwischen einem Temperaturabfall sowie Ozonanstieg und Veränderungen in der Endothelfunktion bei T2D hin. Die flussvermittelte Dilatation der Arteria brachialis, ein Marker für die Endothelfunktion, nahm unmittelbar und mit einer Verzögerung von einem Tag ab wenn die Lufttemperatur sank bzw. wenn die Ozonkonzentration anstieg. Diese Dissertation zeigt Ergebnisse zu den Kurzzeitauswirkungen von UFP auf die tägliche ursachenspezifische Mortalitäts- und Morbiditätsrate in zentral- und osteuropäischen Städten und leistet daher einen wichtigen Beitrag zum aktuellen Wissensstand. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse des UFIREG Projekts, dass es wichtig ist, UFP in Routinemessnetzwerke zu integrieren, um Daten für zukünftige Studien zu den Kurz- und Langzeiteffekten von UFP zu liefern. Weitere multizentrische Studien mit harmonisierten UFP Messungen sind notwendig, um den Zusammenhang zwischen UFP und (ursachenspezifischen) Todesursachen und Krankenhauseinweisungen in verschiedenen Regionen zu untersuchen. Diese Arbeit diskutiert darüber hinaus Veränderungen in der Endothelfunktion bei Temperaturabfall und Ozonkonzentrationsanstieg. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Endotheldysfunktion einen möglichen Mechanismus für die weltweit beobachteten Herzkreislauferkrankungen im Zusammenhang mit Umweltveränderungen darstellt.
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Lanzinger, Stefanie
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Lanzinger, Stefanie (2017): Air pollution, air temperature and the influence on cause-specific mortality and morbidity. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Epidemiological studies have shown that short-term changes in air pollution and air temperature have an impact on cardiovascular and respiratory health. However, only a few studies have investigated the association between ultrafine particles (UFP) with a diameter <100 nm (0.1 µm) and cardio-respiratory health so far and especially results from Eastern Europe are rare. Moreover, finding the underlying biological mechanisms, which explain the relationships between environmental changes and cardiovascular health, remains a major challenge. Investigating specific characteristics such as endothelial function in association with environmental stimuli might help to clarify potential biological pathways. The main objectives of this thesis were to investigate short-term associations between air pollution and daily cause-specific mortality as well as hospital admissions in five Central and Eastern European cities (Augsburg, Chernivtsi, Dresden, Ljubljana and Prague) within the EU-project UFIREG. To investigate potential biological mechanisms explaining the associations between air pollution or air temperature and cardiovascular diseases we also examined the influence of short-term changes in air temperature and ozone on markers of endothelial function in individuals with type-2 diabetes (T2D) within the DEPS panel study in Chapel Hill in North Carolina, USA. Our results of the UFIREG study indicated delayed and prolonged effects of UFP exposure on respiratory mortality and hospital admissions in Central and Eastern Europe. Although our results on UFP and respiratory health outcomes were not statistically significant, we consider these findings as potentially important. Further, we assume that the short study period might be one explanation for the non-significant associations. PM2.5 exposure was associated with delayed and prolonged effects on cardiovascular and respiratory mortality and morbidity. We observed a stronger association between PM2.5 and respiratory hospital admissions compared to results from other European regions and the U.S. Our findings of the DEPS panel study suggested a linear association between temperature decreases as well as ozone increases and markers of endothelial function in individuals with T2D. We observed immediate and delayed decreases in flow-mediated dilatation of the brachial artery, a marker of endothelial function, in association with a decrease in temperature as well as with an increase in ozone. This thesis adds to the existing knowledge in the field of short-term effects of air pollution since it reports results on the association between UFP and cause-specific mortality and morbidity from Central and Eastern European cities. Results of the UFIREG project indicated that it is important to integrate UFP into routine measurement networks to provide data for future short- and long-term epidemiological studies. Further studies are needed investigating the association between UFP and (cause-specific) mortality and morbidity at multiple locations using harmonized UFP measurements. This thesis also discusses short-term changes in endothelial function in response to temperature decreases and ozone increases. We conclude that endothelial dysfunction might be one of the possible biological pathways explaining the association between environmental changes and cardiovascular events that have been observed worldwide.

Abstract

Epidemiologische Studien haben gezeigt, dass sich Tag-zu-Tag-Veränderungen in Luftschadstoffkonzentrationen sowie der Lufttemperatur auf die menschliche Gesundheit auswirken. Bisher haben jedoch nur wenige Studien den Zusammenhang zwischen ultrafeinen Partikeln (UFP) mit einem Durchmesser <100 nm (0.1 µm) und kardio-respiratorischen Gesundheitsparametern untersucht. Des Weiteren gibt es bisher wenige Ergebnisse aus osteuropäischen Ländern. Die Untersuchung spezifischer Merkmale wie zum Beispiel die Endothelfunktion, geben einen Einblick in mögliche biologische Mechanismen, die Herzkreislauferkrankungen, die im Zusammenhang mit Umweltveränderungen auftreten, erklären können. Die Hauptziele dieser Dissertation waren, die Kurzzeitauswirkungen von ultrafeinen und feinen Partikeln auf die tägliche ursachenspezifische Mortalitäts- und Krankheitsrate in fünf zentral- und osteuropäischen Städten (Augsburg, Czernowitz, Dresden, Ljubljana und Prag) im Rahmen des EU-Projekts UFIREG zu untersuchen. Darüber hinaus untersuchten wir Veränderungen der Endothelfunktion bei Patienten mit Typ-2 Diabetes (T2D) in Zusammenhang mit einem kurzzeitigen Temperaturanstieg sowie einem Anstieg der Ozonkonzentration. Dieser Zusammenhang wurde innerhalb der DEPS Panel Studie in Chapel Hill, North Carolina, USA analysiert und könnte einen Aufschluss über mögliche biologische Mechanismen geben, wie Umweltveränderungen zu Herzkreislauferkrankungen führen können. Ergebnisse des UFIREG Projekts zeigten einen Anstieg der Todesfälle und Krankenhauseinweisungen auf Grund von respiratorischen Erkrankungen in Zusammenhang mit einer kumulativen UFP Exposition. Die Einflüsse von UFP auf respiratorische Erkrankungen und Todesursachen waren zwar nicht statistisch signifikant, dennoch bewerten wir die Ergebnisse als wichtig. Die kurze Studienperiode könnte eine mögliche Erklärung für die nicht signifikanten Ergebnisse sein. Darüber hinaus zeigte ein Anstieg der PM2.5-Konzentration einen Zusammenhang mit kardiovaskulärer sowie respiratorischer Mortalität und Morbidität. Unsere Ergebnisse des UFIREG Projekts zeigen einen stärkeren Zusammenhang zwischen PM2.5 und respiratorischer Krankenhauseinweisungen als Studien, die in anderen europäischen Regionen und den USA durchgeführt wurden. Die Ergebnisse der DEPS Panel Studie weisen auf eine lineare Assoziation zwischen einem Temperaturabfall sowie Ozonanstieg und Veränderungen in der Endothelfunktion bei T2D hin. Die flussvermittelte Dilatation der Arteria brachialis, ein Marker für die Endothelfunktion, nahm unmittelbar und mit einer Verzögerung von einem Tag ab wenn die Lufttemperatur sank bzw. wenn die Ozonkonzentration anstieg. Diese Dissertation zeigt Ergebnisse zu den Kurzzeitauswirkungen von UFP auf die tägliche ursachenspezifische Mortalitäts- und Morbiditätsrate in zentral- und osteuropäischen Städten und leistet daher einen wichtigen Beitrag zum aktuellen Wissensstand. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse des UFIREG Projekts, dass es wichtig ist, UFP in Routinemessnetzwerke zu integrieren, um Daten für zukünftige Studien zu den Kurz- und Langzeiteffekten von UFP zu liefern. Weitere multizentrische Studien mit harmonisierten UFP Messungen sind notwendig, um den Zusammenhang zwischen UFP und (ursachenspezifischen) Todesursachen und Krankenhauseinweisungen in verschiedenen Regionen zu untersuchen. Diese Arbeit diskutiert darüber hinaus Veränderungen in der Endothelfunktion bei Temperaturabfall und Ozonkonzentrationsanstieg. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Endotheldysfunktion einen möglichen Mechanismus für die weltweit beobachteten Herzkreislauferkrankungen im Zusammenhang mit Umweltveränderungen darstellt.