Within-City Spatial Variations of Novel air Pollution Exposure Metrics and their Relationship with Cardiovascular Mortality and Brain Cancer Incidence in the Canadian Urban Environment

Abstract

Outdoor air pollution, including fine particulate matter (PM2.5) air pollution, contributes to a range of adverse health outcomes and has a large population health impact. However, the standard method of measuring exposures to particulate air pollution as a mass concentration has limitations. Recently, emerging measures have been developed that account for the composition and toxicity of particles. The overall aim of this thesis was to describe within-city spatial variations in newly-developed measures of particle composition and toxicity (including multiple measures of particle oxidative potential as well as a measure of exposure to magnetite nanoparticles) across Canadian urban areas and to assess their effects on long-term health outcomes. To accomplish this aim, we completed three objectives that constitute the body of this manuscript-based thesis.

In Objective 1, we conducted monitoring campaigns at 124 sites in Montreal and 110 sites in Toronto, Canada to collect pollutant data, and developed land-use regression models to predict the spatial distributions of PM2.5 oxidative potential, production of reactive oxygen species, and magnetite nanoparticles. We used Bayesian lasso regression models with land-use characteristics from Geographic Information Systems databases to predict pollutant measures at unobserved points in order to create high-resolution exposure surfaces. We observed high spatial variability of oxidative potential measures (coefficients of variation 42.0-66.0%) and magnetite (coefficients of variation 69.7-75.4%) within each city relative to PM2.5 mass concentration (coefficients of variation 24.3-30.8%). Multivariable land-use regression models predicted elevated concentrations of oxidative potential, reactive oxygen species generation, and magnetite around highways, railways, and road intersections.

In Objective 2, we applied the estimates of exposure obtained in Objective 1 to determine how oxidative potential and the ability of particles to generate reactive oxygen species (ROS) may modify the relationship between long-term exposure to oxidant gases and cardiovascular mortality. We performed a retrospective cohort study of participants in the Canadian Census Health and Environment Cohort who lived in Toronto or Montreal. We used Cox proportional hazards models to estimate associations between outdoor concentrations of oxidant gases (Ox, a redox-weighted average of nitrogen dioxide and ozone concentrations) and cardiovascular deaths. Analyses were performed across strata of PM2.5 oxidative potential and ROS concentrations. We observed that spatial variations in outdoor Ox were associated with an increased risk of cardiovascular mortality (HR per 5 ppb = 1.028, 95% CI: 1.001, 1.055). The effect of Ox on cardiovascular mortality was stronger above the median of each measure of PM2.5 oxidative potential and ROS concentration (e.g., above the median of glutathione-based oxidative potential: HR = 1.045, 95% CI: 1.009, 1.081; below median: HR=1.000, 95% CI: 0.960, 1.043).

In Objective 3, we performed a retrospective cohort study in the Canadian Census Health and Environment Cohort to estimate associations between long-term exposure to magnetite nanoparticles in PM2.5 and the incidence of brain cancer. Cox proportional hazards models were used to estimate the association between exposure to magnetite nanoparticles in outdoor PM2.5 and incidence of brain cancer in Montreal and Toronto. We found no significant relationship between exposure to magnetite particles and incidence of malignant brain tumours (HR per IQR = 0.998, 95% CI: 0.988, 1.009). Moreover, we found no significant effect of PM2.5 or NO2 on brain cancer incidence

Alternate abstract:

La pollution de l'air extérieur, y compris la pollution atmosphérique par les particules fines (PM2,5), contribue à une gamme d'effets néfastes sur la santé. Cependant, la méthode standard de mesure des expositions à la pollution atmosphérique particulaire en tant que concentration massique a des limites. Récemment, des mesures émergentes ont été développées qui tiennent compte de la composition et de la toxicité des particules. L'objectif général de cette thèse était de décrire les variations spatiales intra-urbaines des mesures nouvellement développées de la composition et de la toxicité des particules (y compris de multiples mesures du potentiel oxydatif des particules ainsi qu'une mesure de l'exposition aux nanoparticules de magnétite liées à la combustion) dans les zones urbaines canadiennes et d'évaluer leurs effets sur les résultats de santé à long terme. Pour atteindre cet objectif, nous avons rempli trois objectifs qui constituent le corps de cette thèse manuscrite.

Dans l'objectif 1, nous avons mené des campagnes de surveillance sur nombreux sites à Montréal et Toronto, au Canada, pour collecter des données sur les polluants et développer des modèles de régression de l'utilisation des terres pour prédire les distributions spatiales du potentiel oxydatif des PM2,5, la production d'espèces réactives de l'oxygène et nanoparticules de magnétite. Nous avons utilisé des modèles de régression lasso avec des caractéristiques d'utilisation des terres pour prédire les mesures de polluants à des points non observés. Nous avons observé une grande variabilité spatiale des mesures dans chaque ville par rapport à la concentration massique de PM2,5. Des modèles de régression multivariés de l'utilisation des terres ont prédit des concentrations élevées de potentiel oxydatif, de génération d'espèces réactives de l'oxygène et de magnétite autour des autoroutes, des voies ferrées et des intersections routières.

Dans l'objectif 2, nous avons appliqué les estimations d'exposition obtenues dans l'objectif 1 pour déterminer comment le potentiel oxydatif et la capacité des particules à générer des espèces réactives de l'oxygène (ROS) peuvent modifier la relation entre l'exposition à long terme aux gaz oxydants et la mortalité cardiovasculaire. Nous avons réalisé une étude de cohorte rétrospective des participants qui vivaient à Toronto ou à Montréal. Nous avons utilisé des modèles de risques proportionnels de Cox pour estimer les associations entre les concentrations extérieures de gaz oxydants (Ox) et les décès cardiovasculaires. Des analyses ont été effectuées sur les strates du potentiel oxydatif des PM2,5 et des concentrations de ROS. Nous avons observé que les variations spatiales du Ox étaient associées à un risque accru de mortalité cardiovasculaire (HR pour 5 ppb = 1,028, IC à 95 % : 1,001, 1,055). L'effet d'Ox sur la mortalité cardiovasculaire était plus fort au-dessus de la médiane de chaque mesure du potentiel oxydatif et de la concentration de ROS.Dans l'objectif 3, nous avons réalisé une étude de cohorte pour estimer les associations entre l'exposition à long terme aux nanoparticules de magnétite dans les PM2,5 et l'incidence du cancer du cerveau. Des modèles à risques proportionnels de Cox ont été utilisés pour estimer l'association entre l'exposition aux nanoparticules de magnétite dans les PM2,5 extérieures et l'incidence du cancer du cerveau à Montréal et à Toronto. Nous n'avons trouvé aucune relation significative entre l'exposition aux particules de magnétite et l'incidence des tumeurs cérébrales malignes (HR par IQR = 0,998, IC à 95 % : 0,988, 1,009). De plus, nous n'avons trouvé aucun effet significatif des PM2,5 ou du NO2 sur l'incidence du cancer du cerveau.