Účinnost monitorování znečištění v klinické rehabilitační cvičební terapii (EPIC-AIR)

Znečištění ovzduší představuje globální krizi veřejného zdraví, které se každoročně přičítá přibližně 4,2 milionu předčasných úmrtí na cévní mozkovou příhodu, srdeční onemocnění, rakovinu plic a chronická respirační onemocnění [1]. Ve Spojeném království se odhaduje, že znečištění venkovního ovzduší přispívá k 30 000–40 000 předčasným úmrtím ročně [2]. U jedinců s preexistujícími srdečními a plicními onemocněními může expozice znečištěnému ovzduší zhoršovat příznaky, spouštět akutní příhody a snižovat účinnost rehabilitačních programů [3,4].

Tělesná aktivita přináší dobře prokázané kardiovaskulární a respirační přínosy a rehabilitace založená na cvičení je klíčovým pilířem léčby pacientů s chronickými srdečními a plicními onemocněními. Cvičení v znečištěném prostředí však může tyto přínosy negovat, zejména u zranitelných populací. Bylo prokázáno, že krátkodobá expozice znečištění souvisejícímu s dopravou oslabuje příznivé kardiopulmonální účinky chůze jak u zdravých jedinců, tak u osob s ischemickou chorobou srdeční a chronickou obstrukční plicní nemocí (CHOPN) [3,4]. Částice suspendované ve vzduchu (PM2,5, PM10) a oxid dusičitý (NO2) vyvolávají oxidační stres a systémový zánět prostřednictvím zvýšených hladin prozánětlivých cytokinů včetně interleukinu (IL)-1β, IL-6, IL-23 a tumor nekrotizujícího faktoru alfa (TNF-α) [5,6]. Tento chronický nízkostupňový zánět zvyšuje riziko kardiovaskulárních onemocnění [7], inzulinové rezistence [8] a dalších systémových poruch [9].

Navzdory těmto dobře zdokumentovaným rizikům je integrace údajů o kvalitě ovzduší do klinické praxe stále omezená, zejména v kontextu programů kardiální rehabilitace (KR) a plicní rehabilitace (PR). Metaanalytické důkazy ukazují, že snížení expozice PM2,5 o 1,0 µg/m³ je spojeno s přibližně 0,5 mmHg snížením průměrného krevního tlaku a aktivní způsoby dojíždění vedou k 50% snížení expozice NO2 a PM2,5 ve srovnání s jízdou autem [10]. Tyto zjištění naznačují, že relativně mírné behaviorální úpravy, jako je úprava načasování, místa nebo trasy cvičení, by mohly významně snížit expozici znečištění během rehabilitace.

Mobilní zdravotní (mHealth) technologie integrované s údaji o znečištění ovzduší v reálném čase a strukturovaným vedením k tělesné aktivitě nabízejí slibný prostředek pro poskytování personalizovaných informací o expozici znečištění. Proto tato studie vyhodnotí proveditelnost a potenciální účinnost této metody v klinickém rehabilitačním prostředí.

EPIC-AIR je stratifikovaná, zaslepená, randomizovaná kontrolovaná studie proveditelnosti se dvěma paralelními rameny prováděná na jediném místě (University Hospitals of Leicester NHS Trust). Studie se skládá z 1týdenního období zápisu a sběru výchozích údajů následovaného 12týdenním intervenčním obdobím. Následné hodnocení je plánováno 3 měsíce po randomizaci.

Místo provádění Účastníci budou rekrutováni ze služeb kardiální a plicní rehabilitace v University Hospitals of Leicester NHS Trust a z místní komunity v okolí Leicesteru ve Spojeném království.

Kritéria způsobilosti Účastníci budou rekrutováni do dvou kohort. Kohorta A zahrnuje pacienty s dlouhodobými onemocněními; Kohorta B zahrnuje zdravé dobrovolníky.

Kohorta A: Pacienti s dlouhodobými onemocněními Inkluzní kritéria pro Kohortu A jsou: muži nebo ženy ve věku ≥18 let; klinická diagnóza jednoho nebo více z těchto onemocnění: astma, CHOPN, intersticiální plicní onemocnění (ILD), ischemická choroba srdeční (ICHS) nebo srdeční selhání (SS), a schválení pro cvičební rehabilitaci klinikem; vlastnictví chytrého telefonu s GPS a přístupem k internetu; schopnost chodit venku minimálně 5 minut bez pocitu neklidu nebo nestability; dostupnost k dokončení 13týdenní intervence v rámci období náboru (únor–květen 2026); ochota a schopnost dát informovaný souhlas; a ochota nosit zařízení Fitbit po >70 % doby trvání studie.

Kohorta B: Zdraví dobrovolníci Inkluzní kritéria pro Kohortu B jsou totožná s Kohortou A, s výjimkou toho, že účastníci nesmí mít diagnózu astmatu, CHOPN, ILD, ICHS nebo SS.

Exkluzní kritéria (obě kohorty) Exkluzní kritéria pro obě kohorty jsou: diagnóza demence, poruchy učení, závažné duševní poruchy (kromě deprese nebo úzkosti) nebo epilepsie; přijímání paliativní péče; nedostatečná znalost anglického jazyka k pochopení studijní dokumentace a používání platformy; doporučení zdravotnickým pracovníkem necvičit během posledních 12 měsíců; aktuální těhotenství; přítomnost bolesti na hrudi v klidu; a výrazná nestabilita při stání nebo chůzi.

Nábor Nábor bude zahájen po obdržení všech potřebných schválení. Kliničtí účastníci (pacienti kardiální a plicní rehabilitace) budou identifikováni prostřednictvím přezkoumání záznamů rehabilitačních programů v University Hospitals of Leicester NHS Trust členy stávajícího klinického týmu pacientů. Zdraví dobrovolníci budou rekrutováni z místní komunity prostřednictvím e-mailu, reklamy na sociálních sítích a univerzitních sítí.

Studie si klade za cíl rekrutovat až 80 účastníků, aby dosáhla cíle 60 dokončujících (15 pacientů kardiální rehabilitace, 15 pacientů plicní rehabilitace a 30 zdravých kontrol), s očekávanou mírou odpadu 25 %.

Informovaný souhlas Potenciálním účastníkům bude poskytnut Informační list pro účastníky a bude jim poskytnuto minimálně 24 hodin na zvážení účasti. Písemný informovaný souhlas bude získán řádně kvalifikovanými a autorizovanými členy výzkumného týmu před zahájením jakýchkoli studijních aktivit. Účastníci budou informováni o svém právu kdykoli odstoupit bez následků.

Randomizace a zaslepení Účastníci budou stratifikováni podle dlouhodobého onemocnění (srdeční vs. plicní) a randomizováni v poměru 1:1 pomocí počítačem generované alokační sekvence prostřednictvím zabezpečeného webového systému (Sealed Envelope Ltd.). Randomizace proběhne po potvrzení způsobilosti, získání souhlasu, sběru výchozích údajů a úspěšném nastavení aplikace.

Studie je zaslepená: účastníci neznají své skupinové zařazení, hodnotitelé výsledků jsou zaslepeni a statistik provádějící analýzu bude používat kódované skupinové identifikátory. Zaslepení je udržováno zajištěním, že rozhraní platformy vypadá v obou ramenech identicky, přičemž funkce kvality ovzduší je povolena nebo zakázána podle alokace. Alokační kód bude rozlomen na konci studie po sběru dat a předběžném screeningu.

Intervence Všichni účastníci obdrží nositelný monitor aktivity Fitbit Charge 6 a přihlásí se do platformy. Po 1týdenním období výchozího monitorování obdrží účastníci prostřednictvím platformy progresivní vedení k chůzi po dobu 12 týdnů, přizpůsobené individuálním výchozím úrovním aktivity, spolu s motivačními zprávami a připomínkami prostřednictvím aplikace.

Kromě těchto společných prvků účastníci randomizovaní do intervenčního ramene obdrží prostřednictvím platformy informace o kvalitě ovzduší v reálném čase (hladiny PM2,5, PM10, NO2), doručované pomocí polohových údajů založených na GPS. Aplikace poskytne adaptivní vedení založené na aktuálních úrovních znečištění, včetně návrhů na změnu tras chůze, úpravu načasování venkovní aktivity nebo snížení intenzity cvičení během období vysokého znečištění.

Účastníci v kontrolním rameni budou používat platformu s identickým cvičebním vedením a funkcemi sledování, ale nebudou dostávat údaje o kvalitě ovzduší ani vedení související se znečištěním.

Výsledky Primárním výsledkem je osobní expozice znečištění (PM2,5, PM10 a NO2) během venkovní tělesné aktivity, odvozená z tras chůze sledovaných GPS a modelovaných údajů o kvalitě ovzduší prostřednictvím platformy.

Sekundární výsledky zahrnují úrovně tělesné aktivity měřené dotazníkem Recent Physical Activity Questionnaire (RPAQ) a počty kroků, srdeční frekvenci a spánkové vzorce zaznamenané Fitbit; zdravím související kvalitu života měřenou souhrnnými skóry fyzické a duševní složky SF-12 verze 2 (SF-12v2); kardiovaskulární biomarkery včetně lipidového profilu (celkový cholesterol, HDL, LDL, triglyceridy) a zánětlivých markerů (C-reaktivní protein a exploratorní markery systémového zánětu), měřené z žilních vzorků krve na začátku a po 12 týdnech; aerobní zdatnost měřená Incremental Shuttle Walk Test (ISWT) na začátku, po 12 týdnech a po 3 měsících; sebeúčinnost pro cvičení měřená Jenkins Self-Efficacy for Exercise Scale na začátku, po 6 týdnech, 12 týdnech a 3 měsících; klinická měření (krevní tlak, výška a hmotnost); a fyziologická data získaná z nositelného zařízení včetně srdeční frekvence, variability srdeční frekvence (RMSSD, poměr LF/HF), SpO2, dechové frekvence, teploty kůže a na vyžádání EKG a elektrodermální aktivity (EDA) prostřednictvím Fitbit Charge 6.

Výsledky proveditelnosti zahrnují míru náboru (počet prošetřených, způsobilých, souhlasících a randomizovaných), míru udržení (podíl dokončujících 13týdenní studii), adherenci (doba nošení Fitbit, metriky zapojení do aplikace), použitelnost a přijatelnost platformy, úplnost sběru výsledkových dat a míry nežádoucích příhod a využívání zdravotní péče (mimorutinní návštěvy praktického lékaře, neočekávané hospitalizace).

Harmonogram sběru dat Data budou shromažďována v pěti časových bodech: zápis/výchozí stav (-2 týdny), alokace (týden 0) a po alokaci po 6 týdnech, 12 týdnech a 3 měsících, s kontinuálním pasivním sběrem dat prostřednictvím platformy a Fitbit po celou dobu trvání studie.

Zpracování vzorků Žilní vzorky krve (EDTA, 6–8 ml) budou odebrány na začátku a po 12 týdnech vyškolenými klinickými výzkumnými sestrami v Glenfield Hospital, University Hospitals of Leicester. Vzorky budou označeny pseudonymizovanými kódy účastníků a zpracovány do 2 hodin od odběru. Celá krev bude centrifugována při 1 800 × g po dobu 10 minut při 4 °C. Plazma bude rozdělena do alikvotů (≥2 × 0,5 ml) a skladována při -80 °C až do dávkové analýzy v Cardiovascular Research Centre (CVRC) University of Leicester. Vzorky s viditelnou hemolýzou nebo nedostatečným objemem budou, pokud to bude možné, odebrány znovu. Analýzy budou provedeny pomocí validovaných testů v souladu se standardními operačními postupy CVRC.

Velikost vzorku Velikost vzorku byla stanovena na základě výpočtu síly dvouvýběrového t-testu z údajů předchozí studie naší skupiny [10], která prokázala, že přechod z jízdy autem na aktivní způsoby dopravy vede k přibližně 20–25% snížení expozice znečištění. K dosažení síly >80 % na hladině významnosti 5 % je potřeba ≥22 účastníků na skupinu, kteří dosáhnou koncového bodu studie. Proto si klademe za cíl, aby studii dokončilo 30 účastníků na skupinu (celkem 60). S očekávanou mírou odpadu 25 % je cílový nábor až 80 účastníků (20 kardiální rehabilitace, 20 plicní rehabilitace, 40 zdravých kontrol).

Statistická analýza Všechny analýzy budou provedeny v souladu s předem stanoveným plánem statistické analýzy. Výchozí charakteristiky budou shrnuty pomocí průměrů a směrodatných odchylek (nebo mediánů a interkvartilových rozmezí) pro spojité proměnné a počtů s procenty pro kategorické proměnné.

Primární analýza: Průměrná expozice znečištění (PM2,5, PM10, NO2) během tělesné aktivity bude porovnána mezi intervenčním a kontrolním ramenem pomocí dvouvýběrových t-testů nebo Mann-Whitneyho U testů, podle vhodnosti.

Sekundární analýzy: Souhrnné skóry fyzické a duševní složky SF-12v2 a data RPAQ budou analyzovány pro rozdíly mezi skupinami v každém časovém bodě. Změny kardiovaskulárních biomarkerů od výchozího stavu do 12 týdnů budou porovnány mezi skupinami. Trendy aktivity budou graficky znázorněny během 13týdenního období. Využívání zdravotní péče (návštěvy praktického lékaře, hospitalizace) bude deskriptivně shrnuto.

Výsledky proveditelnosti: Míry náboru, způsobilosti, zápisu a udržení budou uvedeny jako počty a podíly. Data o zapojení do aplikace budou shrnuta pomocí deskriptivní statistiky.

Chybějící data: Budou aplikována hodnotící pravidla specifická pro každý dotazník. Analýza bude založena na dostupných datech až do posledního dokončeného následného hodnocení každého účastníka. Nejsou plánovány žádné průběžné analýzy.

Správa dat Data účastníků budou spravována pomocí REDCap (Research Electronic Data Capture), zabezpečené webové aplikace pro správu dotazníků a databází. Každému účastníkovi bude přidělen jedinečný pseudonymizovaný identifikátor; samostatný seznam kontaktů chráněný heslem bude bezpečně uchováván v UHL.

Zaznamenaná data budou streamována na zabezpečený server University of Leicester. Přístup je omezen na autorizovaný výzkumný personál. Data Fitbit budou shromažďována prostřednictvím předem zaregistrovaných účtů kontrolovaných výzkumným týmem. Všechna data budou uložena na University of Leicester Research Filestore a analyzována na univerzitních zařízeních zašifrovaných pomocí BitLocker. Data budou archivována po dobu minimálně 6 let po dokončení studie v souladu se standardními operačními postupy University of Leicester.

Etika a šíření Etické schválení Studie bude prováděna v souladu s Helsinskou deklarací (revize 2013), britským Policy Framework for Health and Social Care Research (2017), směrnicemi ICH-GCP a standardními operačními postupy zadavatele. Etické schválení bylo získáno od South Central – Oxford C Research Ethics Committee (číslo: 26/SC/0048). Schválení HRA a Health and Care Research Wales (HCRW) bylo uděleno 3. března 2026 (ID projektu IRAS: 348160; číslo protokolu: 1058). Zadavatelem studie je Research & Enterprise Division, Research Governance Office University of Leicester.

Bezpečnostní aspekty Platforma poskytuje pouze vedení a není podle pokynů MHRA klasifikována jako zdravotnický prostředek. Nepředpokládají se žádné závažné nežádoucí účinky. Účastníkům bude doporučeno přestat aplikaci používat, pokud se budou cítit špatně nebo nestabilně. Data o mimorutinních návštěvách praktického lékaře a neočekávaných hospitalizacích budou shromažďována po celou dobu trvání studie. Všechny závažné nežádoucí příhody budou nahlášeny zadavateli do 24 hodin v souladu se standardními operačními postupy zadavatele.

Ochrana osobních údajů Osobní údaje budou zpracovávány v souladu se zákonem Data Protection Act 2018, obecným nařízením EU o ochraně osobních údajů (GDPR) a ICH-GCP. Správcem údajů je University of Leicester. Účastníci, kteří se prostřednictvím národního opt-outu rozhodli nesdílet data, budou ve spolupráci s pověřencem pro ochranu osobních údajů UHL vyloučeni z jakýchkoli identifikovatelných datových souborů.

Zapojení pacientů a veřejnosti Skupiny pro zapojení pacientů a veřejnosti (PPI) přezkoumaly studijní dokumenty a cestu účastníka během vývoje protokolu. Zpětná vazba PPI ovlivnila několik rozhodnutí o designu, včetně poskytnutí podporovaných možností stažení aplikace, průvodce zahájením a vyhrazené studijní podpůrné linky.

Šíření Výsledky budou šířeny prostřednictvím recenzovaných publikací, konferenčních prezentací, webu kohorty EXCEED a akcí pro šíření mezi zainteresovanými stranami, bez ohledu na výsledek. Studie bude hlášena v souladu s prohlášením CONSORT, upraveným pro studie proveditelnosti. Autorství bude následovat směrnice ICMJE. Účastníci budou mít možnost obdržet souhrn zjištění. Data o použitelnosti a přijatelnosti aplikace budou použita k vyplnění kritérií pro hodnocení digitálních technologií (DTAC) na podporu potenciálního přijetí v NHS.

Registrace studie Studie je registrována na [TODO: ISRCTN/ClinicalTrials.gov] (registrační číslo: [TODO: číslo]). ID projektu IRAS: 348160.

Diskuse EPIC-AIR řeší kritickou mezeru na průsečíku environmentálního zdraví, digitálních technologií a klinické cvičební rehabilitace. Zatímco nepříznivé účinky znečištění ovzduší na kardiovaskulární a respirační zdraví jsou dobře prokázány, praktická integrace údajů o znečištění v reálném čase do léčebných postupů pacientů zůstává z velké části neprozkoumána. Pozoruhodné je, že existuje velmi omezené množství důkazů o dopadu znečištění ovzduší na jedince cvičící venku, zejména na ty s preexistujícím kardiovaskulárním nebo respiračním onemocněním. Studie Oxford Street [3,4] představují jeden z velmi mála výzkumů zkoumajících vliv znečištění ovzduší na cvičení u jedinců s preexistujícími kardiorespiračními stavy, a většina studií expozice v komorách byla provedena u zdravých dobrovolníků nebo osob s mírným onemocněním. Výbor pro lékařské účinky znečišťujících látek ve vzduchu (COMEAP) tuto mezeru v důkazech zdůraznil a doporučil další výzkum jako součást revize Air Quality Indicative Standards (AQIS) Ministerstva pro životní prostředí, potraviny a venkov (Defra) [12]. Tato studie je, pokud je nám známo, první, která hodnotí, zda poskytování personalizovaných informací o kvalitě ovzduší prostřednictvím aplikace v chytrém telefonu může snížit expozici znečištění během strukturovaných rehabilitačních programů pro srdeční a plicní pacienty.

Navrhovaná platforma nabízí škálovatelnou, nízkonákladovou intervenci, která využívá stávající mobilní technologie a údaje o kvalitě ovzduší odvozené ze satelitů. Poskytnutím informací o znečištění v reálném čase specifických pro místo a adaptivního cvičebního vedení aplikace umožňuje pacientům činit informovaná rozhodnutí o tom, kdy, kde a jak cvičit venku. Tento přístup je v souladu s rostoucím důrazem na personalizovanou medicínu a samozdravování pacientů v péči o chronická onemocnění.

Několik designových prvků posiluje tento protokol. Zaslepený, randomizovaný design se stratifikací podle dlouhodobého onemocnění minimalizuje alokační zkreslení a zároveň zajišťuje vyvážené zastoupení srdečních a plicních pacientů. Zařazení zdravých dobrovolníků umožňuje porovnání zapojení do aplikace a behaviorálních reakcí napříč zdravotními stavy. Použití tras chůze sledovaných GPS poskytuje objektivní, prostorově rozlišené odhady expozice znečištění, což přesahuje závislost na údajích z pevných monitorovacích stanic.

Jako studie proveditelnosti je EPIC-AIR navržena tak, aby generovala důkazy potřebné k informování budoucí definitivní studie. Klíčové nejistoty zahrnují ochotu pacientů pracovat s údaji o znečištění spolu s cvičebním vedením, technickou spolehlivost poskytování kvality ovzduší v reálném čase v různých městských a příměstských prostředích a zda je 12 týdnů dostatečných k pozorování smysluplné behaviorální změny. Výsledky proveditelnosti, včetně náboru, udržení, adherence a použitelnosti aplikace, přímo ovlivní design, velikost vzorku a realizaci následné plně silové randomizované kontrolované studie.

Potenciální omezení zahrnují design na jednom místě, který může omezit zobecnitelnost, a závislost na modelované spíše než přímo měřené osobní expozici znečištění. 13týdenní doba trvání studie, ačkoli vhodná pro hodnocení proveditelnosti, nemusí být dostatečná k detekci trvalých zdravotních výsledků. Navíc vědomí účastníků, že jsou ve studii zahrnující aplikaci, může ovlivnit chování bez ohledu na skupinové zařazení (Hawthorneův efekt), ačkoli zaslepení vůči alokačnímu statusu toto znepokojení zmírňuje.

Pokud se intervence ukáže jako proveditelná a vykazuje slibné signály účinnosti, zjištění by mohla přispět k vývoji personalizovaných intervencí v oblasti environmentálního zdraví integrovaných do rehabilitačních postupů NHS, potenciálně stanovit nové standardy pro začlenění ohledů na kvalitu ovzduší do klinického předepisování cvičení.

Reference

1. World Health Organization. Ambient (outdoor) air pollution. 2022. Dostupné z: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health
2. Royal College of Physicians. Every breath we take: the lifelong impact of air pollution. Londýn: Royal College of Physicians; 2016.
3. Sinharay R, Gong J, Barratt B, et al. Respiratory and cardiovascular responses to walking down a traffic-polluted road compared with walking in a traffic-free area in participants aged 60 years and older with chronic lung or heart disease and age-matched healthy controls: a randomised, crossover study. Lancet 2018;391(10118):339-349.
4. McCreanor J, Cullinan P, Nieuwenhuijsen MJ, et al. Respiratory effects of exposure to diesel traffic in persons with asthma. N Engl J Med 2007;357(23):2348-2358.
5. Cheng H, Saffari A, Sioutas C, et al. Nanoscale particulate matter from urban traffic rapidly induces oxidative stress and inflammation in olfactory epithelium with concomitant effects on brain. Environ Health Perspect 2016;124(10):1537-1546.
6. Chuang GC, Yang Z, Westbrook DG, et al. Pulmonary ozone exposure induces vascular dysfunction, mitochondrial damage, and atherogenesis. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 2009;297(2):L209-L216.
7. Chen S-Y, Chan C-C, Su T-C. Particulate and gaseous pollutants on inflammation, thrombosis, and autonomic imbalance in subjects at risk for cardiovascular disease. Environ Pollut 2017;223:403-408.
8. Kim JS, Chen Z, Alderete TL, et al. Associations of air pollution, obesity and cardiometabolic health in young adults: the Meta-AIR study. Environ Int 2019;133(Pt A):105180.
9. Buoli M, Grassi S, Caldiroli A, et al. Is there a link between air pollution and mental disorders? Environ Int 2018;118:154-168.
10. Panchal R, et al. Exposure to air pollution during active travel. J Transp Health 2022;26:101365.
11. Chan A-W, Tetzlaff JM, Altman DG, et al. SPIRIT 2013 statement: defining standard protocol items for clinical trials. Ann Intern Med 2013;158(3):200-207.
12. Committee on the Medical Effects of Air Pollutants (COMEAP). Statement: overview of advice provided to the Air Quality Information System (AQIS) review steering group. Londýn: COMEAP; 2024. Dostupné z: https://www.gov.uk/government/publications/advice-given-to-the-air-quality-information-system-aqis-review-steering-group/comeap-statement-overview-of-advice-provided-to-the-air-quality-information-system-aqis-review-steering-group