本方案旨在利用 NHANES 2011-2014 队列的全国代表性数据，评估血清锌浓度与总骨密度之间的关联性。
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本方案旨在利用 NHANES 2011-2014 队列的全国代表性数据，评估血清锌浓度与总骨密度之间的关联性。
这项横断面研究利用2011-2014年美国国家健康与营养检查调查（NHANES）中1,674名年龄≥20岁的成年参与者的数据，探讨了血清锌浓度与全身骨矿物质密度（BMD）之间的关联。排除了关键变量数据缺失的参与者后，分析中考虑了NHANES复杂的调查设计，并采用了为期4年的空腹亚样本权重（WTSAF4YR）。将血清锌水平分为四分位数，通过多变量线性回归模型，在调整了人口统计学、人体测量学、生活方式及生化等混杂因素后，评估血清锌与全身及部位特异性BMD之间的关系。采用基于广义可加模型（GAMs）的平滑曲线拟合和阈值效应分析，探索潜在的非线性关联。在调整协变量后，血清锌与BMD呈正相关，且在约13.20 µmol/L处观察到非线性阈值效应，超过该水平后正相关关系更加显著。这些发现为锌在骨骼健康中的作用提供了新的见解，提示维持血清锌浓度高于此水平可能有助于实现最佳骨密度，并为骨质疏松症的预防和营养评估策略提供参考。
骨质疏松症是全球范围内一项重大的公共卫生问题，影响着约18.3%的全球人口1,2。流行病学数据显示，该疾病对不同人群的影响并不均等，女性患病负担显著高于男性，尤其是在绝经后，由于激素变化加速骨量流失，使得女性更易患病1,2。骨矿物质密度（BMD）是骨骼健康的基本指标，被广泛认为是决定骨强度的关键因素之一3。在临床上，BMD被视为预测个体骨折易感性最可靠的指标之一3。通常情况下，BMD较高的个体具有更强、更具弹性的骨骼，从而对骨脆性和骨折发生具有保护作用4,5。相反，BMD降低与骨完整性受损相关，使个体面临更高的骨量减少症（骨量低下）和骨质疏松症风险，并增加与骨折相关的发病率4,5。
骨密度（BMD）下降是一个受多种因素共同影响的多因素且生物学上复杂的过程，这些因素包括衰老、激素环境、生活方式行为、营养状况以及潜在的病理状态6。随着年龄增长，成骨细胞介导的骨形成速率逐渐降低，而破骨细胞介导的骨吸收相对增强，导致随时间推移出现净骨量丢失7。在生物学决定因素中，激素水平的变化，尤其是绝经后循环雌激素水平的显著下降，是导致快速骨脱矿的主要驱动因素之一8。营养摄入不足，如钙、维生素D、蛋白质以及镁和锌等必需微量元素摄入不足，会损害骨矿化和骨基质形成，进一步破坏骨骼完整性3,8。与生活方式相关的因素，包括体力活动缺乏、吸烟、过量饮酒以及慢性心理社会应激，会加剧骨吸收并加速骨丢失9。此外，长期使用糖皮质激素、抗癫痫药物或芳香化酶抑制剂，以及患有糖尿病、肾功能不全和胃肠道疾病等慢性全身性疾病，均可干扰钙稳态并破坏正常的骨重建过程，共同导致骨密度进行性下降以及骨质疏松症易感性增加3。
锌作为一种重要的微量元素，在调节骨代谢和维持骨骼完整性方面发挥着关键作用10。越来越多的证据表明，锌的营养状况与骨密度（BMD）之间存在正相关关系，但这种关联的强度和一致性受到基线锌水平、现有骨骼健康状况以及研究人群人口学特征的影响11。从作用机制来看，锌通过促进成骨细胞分化、增强胶原基质合成以及激活碱性磷酸酶等关键酶，从而促进成骨过程，而碱性磷酸酶对正常的骨矿化至关重要10。同时，锌还能抑制破骨细胞介导的骨吸收，从而有助于维持骨形成与骨降解之间的稳态平衡10,12。观察性和干预性研究均表明，较高的循环锌浓度通常与较高的骨密度相关，而锌摄入不足则与骨质疏松风险升高相关12。
在本研究中，我们利用了2011-2014年国家健康与营养调查（NHANES）的数据，该数据提供了具有全面生化、人口统计和生活方式信息的美国成年人全国代表性队列。与以往的研究相比，该方法具有多项方法学优势，包括扩大样本量以增强统计效能，提高检测微弱关联的能力，以及采用阈值模型来探索血清锌浓度与骨密度（BMD）之间可能存在的非线性关系。通过系统地分析不同四分位数组中锌与BMD的关联，并对相关混杂因素进行校正，本研究更深入地揭示了锌营养状况对骨骼健康可能产生的影响。尤为重要的是，基于这一全国代表性数据集所得出的研究结果可为临床决策和公共卫生策略提供依据，帮助临床医生和研究人员更准确地评估锌在维持骨骼健康和预防骨质疏松症中的潜在作用。
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国家卫生统计中心（NCHS）研究伦理审查委员会（ERB）批准了NHANES的数据收集方案。由于NHANES数据集可公开获取，研究人员无需获得其所在机构审查委员会（IRBs）的额外批准。
研究设计与研究人群的特征
在本项横断面研究中，我们利用国家健康与营养检查调查（NHANES）2011-2014周期的数据，旨在探讨血清锌浓度与骨密度（BMD）之间可能存在的独立关联。NHANES由国家卫生统计中心（NCHS）组织实施，采用精心设计的分层、多阶段概率抽样方法，生成具有全国代表性的美国平民、非机构化人群数据集。每次调查周期均通过标准化访谈、结构化问卷和体格检查相结合的方式，系统收集包括人口学特征、生活方式因素、饮食摄入、临床参数和人体测量数据在内的广泛信息。各项调查组分的完整方案及方法学细节均可在NHANES官方网站公开获取。在本研究中，我们聚焦于年龄≥20岁的成年人群，并排除了关键人体测量指标或其他研究模型所需重要协变量数据缺失或不完整的个体。参与者筛选过程及具体的纳入与排除标准在图1中以示意图形式进行总结，以便清晰展示分析样本的构成。
评估指标
人体测量指标的评估
经过培训并获得认证的健康技术人员在专门的 NHANES 移动检查中心，按照美国国家卫生统计中心（NCHS）制定的严格标准化方案，采集了包括体重和站立身高在内的各项人体测量数据。体重使用经校准的数字秤测量，精确至 0.1 kg，以确保所有测量结果的一致性和准确性。站立身高采用固定式身高计测量，精确至 0.1 厘米，要求受试者保持直立姿势，双脚并拢，以保证测量精度。随后，通过将体重（千克）除以身高（米）的平方（kg/m2），计算每位参与者的体重指数（BMI），该指标是广泛认可的总体脂肪含量评估参数。
血清锌水平
由经过认证的采血技术人员按照标准化的 NHANES 操作规程，在指定的移动体检中心（MECs）从研究参与者处采集静脉血液样本。采集后的样本由经过培训的工作人员在受控条件下迅速处理并运送至国家环境健康中心（NCEH）实验室，以进行后续的生化分析。样本经初步离心后，血清分装物在运输过程中保持在 °C 以维持样本完整性，随后储存于 -20 °C 或 -70 °C 的超低温环境中，直至分析时取出。血清锌浓度的定量检测采用电感耦合等离子体动态反应池质谱法（ICP-DRC-MS），这是一种高灵敏度和高精确度的分析方法。有关血清锌检测的实验室操作规程、质量控制措施及分析技术参数的详细信息，已记录在 NHANES 实验室数据文件（LBDZN）中，可通过访问 NHANES 官方网站获取，更多方法学描述请参见： https://wwwn.cdc.gov/nchs/nhanes/2011-2012/PBCD_G.htm。
BMD
所有符合本研究纳入标准的参与者均接受了双能X射线吸收测定法（DXA）扫描，以获得骨密度（BMD）的精确测量值。扫描由经认证的放射科技师使用扇形束骨密度仪进行，并通过Hologic APEX软件（版本4.0）进行数据采集与分析，以确保结果的准确性和一致性。标准化的DXA检查方案，包括受试者的体位摆放、校准程序以及质量控制措施，在NHANES官方网站中有详细说明，相关链接见材料表。出于安全性和技术性考虑，某些个体被排除在DXA评估之外，具体标准包括：妊娠、过去七天内使用过对比剂、体重超过450磅、曾接受过多次髋关节置换术、双侧髋部骨折，或存在髋关节假体，以保障骨密度测量结果的有效性与可靠性。
协变量
为了严格评估血清锌浓度与骨密度（BMD）之间的关联，必须考虑潜在的混杂变量以及多个协变量之间的复杂相互作用。人口学因素包括参与者的年龄（≥20岁）、性别（男性或女性）、种族/ ethnicity（分为墨西哥裔美国人、非西班牙裔白人、非西班牙裔黑人、其他西班牙裔以及其他种族）、教育水平（高中以下、高中或同等学历、高中以上）以及家庭收入与联邦贫困线的比值。人体测量参数（包括体重指数BMI）在标准化体格检查期间采集。生化指标方面，由于血清总钙和血清磷浓度（单位均为 mmol/L）在骨代谢和矿化过程中具有关键作用，也被纳入为主要协变量。此外，通过结构化问卷评估了生活方式和健康相关特征，包括自我报告的剧烈体力活动参与情况（是/否）、糖尿病病史（是/否）、高血压状态（是/否）以及饮酒情况。饮酒量定义为过去12个月内每日平均摄入的酒精饮料数量13。参与者的吸烟状况根据其一生中累计吸烟数量确定： lifetime 累计吸烟少于100支者被归类为非吸烟者，而报告吸烟100支或以上者则被归类为吸烟者14。
统计学分析
本研究的所有统计分析均使用 EmpowerStats 软件（版本 4.1）进行。分析采用 NHANES 复杂调查设计，考虑了抽样权重、分层和聚类，以生成具有全国代表性的估计值。具体而言，所有分析均应用了 4 年空腹亚组权重（WTSAF4YR）、分层变量（SDMVSTRA）和初级抽样单位（SDMVPSU）。首先，根据血清锌浓度的四分位数对研究人群的人口学、临床及生化特征进行汇总和比较，以概述人群分布情况。对于连续变量，采用线性回归模型评估组间差异；而对于分类变量，则使用卡方检验比较四分位数组之间的统计学显著差异。
为评估血清锌水平与骨密度（BMD）之间的关系，采用了多变量线性回归模型。构建了三个逐步调整的模型以控制潜在的混杂因素。模型1表示未经调整的关联性。模型2进一步校正了基本的人口学协变量，包括年龄、性别和种族/民族。模型3 additionally 纳入了其他潜在混杂因素，如教育程度、糖尿病状况、是否参与剧烈体力活动、吸烟状况、高血压、血清总钙、血清磷以及家庭收入与联邦贫困线之比。此外，为探讨血清锌浓度与骨密度之间可能存在的非线性关系，进行了平滑曲线拟合分析。所有统计检验均为双侧检验，以 p 值小于 0.05 作为具有统计学意义的标准。
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研究中纳入参与者的描述性特征及基线资料概况
由于血清锌浓度是在空腹亚组中测定的，因此根据NHANES分析指南，应用了相应的4年空腹亚组权重（WTSAF4YR）。由于合并了两个调查周期（2011–2012年和2013–2014年）的数据，4年权重通过将每位参与者的2年空腹亚组权重（WTSAF2YR）除以2计算得出，计算公式为：WTSAF4YR = ½ × WTSAF2YR。最初，共有19,931名来自NHANES 2011–2014周期的参与者被考虑纳入本次分析。首先排除年龄小于20岁的个体（n = 8,242），以聚焦于成年人群；随后剔除在关键变量（包括血清锌浓度和骨密度测量值）上缺失数据的参与者（n = 9,814）。经过此筛选过程，得到一个包含1,875名年龄≥20岁的成年人的子集，其主要研究变量数据完整。为确保人体测量数据的完整性，进一步排除了在身高、体重或BMI等基本参数上缺失数据的参与者（n = 201）。经过上述逐级排除后，最终分析队列共包含1,674名个体，其所有研究所需变量的数据均完整且全面。
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在一项针对2011-2014年NHANES数据库中1,674名成年人的横断面研究中，较高的血清锌浓度与总体骨密度及腰椎骨密度呈正相关，其中锌浓度最高四分位数组的效应最为显著。在调整了人口统计学、生活方式、人体测量学和生物化学协变量后，多变量分析证实了这一关联；亚组分析提示男性中的效应更为明显。部位特异性结果显示，富含小梁骨的部位（如腰椎）对锌的反应强于富含皮质骨的部位（如骨盆）。阈值效应模型进一步揭示了非线性关系，在锌浓度约为13.20 µmol/L处存在拐点，超过该点后锌浓度的升高与更大的骨密度增长相关。
多项关键的分析决策支撑了我们研究结果的稳健性。首先，采用多变量线性回归模型使我们能够校正一系列潜在的混杂因素，包括人口学、生活方式、人体测量学和生物化学因素，从而分离出血清锌与骨密度之间的关联。此外，按血清锌四分位数进行分层分析，并按性别进行亚组分析，有助于识别潜在的剂量-反应关系及性别特异性效应。通过使用平滑曲线拟合进行阈值效应分析，以检测非线性关联，并估计出约13.20 µmol/L的拐点，为锌对骨密度可能存在的浓度依赖性效应提供了见解。
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作者声明在本研究的实施、作者身份和/或本稿件的发表方面不存在任何潜在的利益冲突。
我们诚挚感谢所有作者对本研究的贡献，包括研究构想、数据获取、分析、解释以及稿件撰写。他们的协作努力使本项工作得以完成。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| APEX DXA 分析软件 | Hologic Inc. | 版本 4.0 | 用于DXA数据的采集与分析。 |
| EmpowerStats（用于统计分析、回归分析和阈值效应建模） | X&Y Solutions，美国马萨诸塞州波士顿 | 版本 4.1 | 用于多变量线性回归、平滑曲线拟合和阈值效应分析的统计软件。如有 RRID，请注明。 |
| Hologic QDR-4500A 扇形束密度仪 | Hologic Inc.，美国马萨诸塞州贝德福德 | https://www.hologic.com/file/403701/download?token=9xR5yyeg | 用于NHANES参与者骨密度DXA扫描测量。 |
| ICP-DRC-MS（电感耦合等离子体动态反应池质谱法） | 美国疾病控制与预防中心国家健康与营养调查实验室 | https://wwwn.cdc.gov/nchs/data/nhanes/public/2017/labmethods/UM?J?MET?508.pdf | 用于高灵敏度和高精确度地定量血清锌浓度。 |
| NHANES 2011–2014 年人口统计 &与社会经济数据集 | 美国疾病控制与预防中心国家健康与营养检查调查 | 演示 | 包含人口统计学、社会经济和生活方式变量的公开数据集 |
| NHANES 2011–2014年DXA骨矿物质密度数据集 | 美国疾病控制与预防中心国家健康与营养调查 | DXXSPN | 通过DXA测量的总骨密度及部位特异性骨密度的公开数据集 |
| NHANES 2011–2014年血清锌数据集 | 美国疾病控制与预防中心国家健康与营养检查调查 | LBDZN | 公开可获取的数据集，包含美国成年人血清锌浓度的测量数据。 |
| NHANES 2011–2016年公开数据集（LBDZN, DXXSPN, DEMO） | 美国疾病控制与预防中心国家健康与营养检查调查 | https://wwwn.cdc.gov/nchs/nhanes/tutorials/datasets.aspx | 国家健康与营养检查调查中关于血清锌、双能X线吸收法骨密度（DXA BMD）以及人口统计学/社会经济数据的数据集。资料库：https://www.cdc.gov/nchs/nhanes/ |
| NHANES 官方网站 | 美国疾病控制与预防中心（CDC）国家卫生统计中心（NCHS） | https://www.cdc.gov/nchs/nhanes/ | 官方DXA检查方案的详细信息可参见：https://www.cdc.gov/nchs/ |
| QDR-4500A 扇形束骨密度仪 | Hologic Inc. (Bedford, MA, USA) | QDR-4500A | 用于DXA扫描以获取骨密度（BMD）测量值。 |
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