上海理工大学董庆利教授团队：整合GBD、WHO与FAO三大数据库，基于网络分析与GNN探索食物系统结构驱动全球食源性细菌疾病负担的路径

近日，上海理工大学董庆利教授团队与上海市市场监督管理局信息应用研究中心彭少杰副主任联合在国际食品领域顶级期刊《International Journal of Food Microbiology（IJFM）》（Q1，IF: 5.2）发表题为“Food system drivers of global foodborne bacterial disease burden: Pathogen-specific attribution using 1990–2021 GBD 2021 and FAO food system databases, with implications for food safety control”的研究论文。该研究系统整合2021年全球疾病负担研究（GBD 2021）数据、WHO食物归因分数（FAFs）与FAO食物系统数据库，覆盖204个国家/地区1990—2021年的纵向记录，对6种典型食源性细菌病原体的食物传播归因疾病负担进行了系统量化，并结合相关性网络路径分析与图神经网络（GNN）方法，构建了食物系统多维驱动因素模型，为食品安全风险评估框架的完善与监管资源的优化配置提供了系统性科学依据。上海理工大学博士研究生周子文为第一作者，通讯作者为上海市市场监督管理局信息应用研究中心彭少杰主任和上海理工大学健康科学与工程学院董庆利教授。

  研究首先从全球食源性细菌疾病负担的总量与分布切入，聚焦肠致病性大肠杆菌（EPEC）、产肠毒素大肠杆菌（ETEC）、非伤寒沙门菌（NTS）、志贺菌（Shigella）、弯曲菌（Campylobacter）和单核细胞增生李斯特菌（L. monocytogenes）6种典型食源性细菌。基于GBD 2021数据与WHO食物归因分数，系统估算了上述病原体经食物途径传播所致的疾病负担。结果显示，2021年这6种病原体导致的食源性腹泻相关死亡约36.45万例（年龄标化死亡率3.63/10万），脑膜炎相关死亡约1.11万例（年龄标化死亡率0.12/10万）；对应腹泻疾病伤残调整生命年（DALYs）约2461万（年龄标化DALY率312.95/10万），脑膜炎DALYs约69.95万（年龄标化DALY率8.90/10万）。桑基图（Fig. 1）直观呈现了病原体—疾病—地区的负担流向：NTS、ETEC和志贺菌主导了南亚、撒哈拉以南非洲和东南亚的腹泻疾病负担，三者合计占上述地区腹泻负担的70%以上；弯曲菌在高收入地区占比突出，是西欧地区的首要病原体；L. monocytogenes则主要与脑膜炎负担相关，与其侵袭性感染特征相吻合。疾病负担高度集中于撒哈拉以南非洲与南亚，两地合计约占全球总DALYs的78.7%，低SDI地区腹泻病年龄标化DALY率是高SDI地区的195倍，呈现出显著的区域不均衡格局。

Fig. 1 Sankey Diagram Illustrating the Flow of Disease Burden from Pathogens to Diseases, Geographic Regions, and DALYs Associated with Selected Foodborne Bacterial Species (2021).

  在时间趋势分析中，时空热图（Fig. 2）清晰刻画了1990—2021年间各区域疾病负担的演变轨迹。西部撒哈拉以南非洲始终是负担最重的地区，ASDALY峰值约在1991年达1469/10万，尽管至2021年已下降约74%（384/10万），但在整个观察期内仍保持全球最高负担。与之形成对比的是，高收入地区在所有年份均维持在较低水平。总体上，全球食源性腹泻疾病负担自1990年以来持续下降（年均变化率EAPC为−4.35%），但从年均变化图（Fig. 3）的分地区分析可以看到，不同发展水平国家之间的变化方向并不一致。撒哈拉以南非洲、南亚和东南亚各地区降幅显著（EAPC −8%至−14%），志贺菌、ETEC和EPEC均呈一致性下降；而在高SDI国家层面，腹泻疾病死亡率的年均变化率为+0.63%（95% CI: +0.13至+1.12），是所有SDI分层中唯一出现统计学显著正增长的分层，主要由弯曲菌的持续扩散所驱动。该病原体在高收入地区腹泻负担中的占比从1990年的约30%升至2021年的约60%。弯曲菌扩散的背后，是2005—2008年抗生素管控政策实施后，后端家禽加工环节生物安全措施未能同步跟进，导致传播风险在生产体系中持续积累。中国的案例则印证了另一条路径：尽管处于中等SDI水平（0.69），但通过系统推进农业集约化升级、严格法规监管和冷链体系扩张，腹泻疾病负担实现了高达−12.80%的年均降幅，是全球降幅最为显著的国家之一。

Fig. 2 Temporal and Spatial Trends in Disease Burden across 21 GBD Geographic Regions: (A) Age-Standardized Disability-Adjusted Life Year Rate (ASDALY), and (B) Age-Standardized Death Rate (ASDR) from 1990 to 2021.

  脑膜炎负担的区域格局与腹泻疾病有所不同，主要集中于撒哈拉以南非洲南部（Fig. 3C-D）。L. monocytogenes在所考察的15个代表性国家中均是脑膜炎的主导病原体，但各国负担趋势受社会发展水平与人群免疫状态的共同影响，呈现明显分化。高收入国家普遍实现了L. monocytogenes脑膜炎的有效控制（如荷兰EAPC −4.05%、爱尔兰 −4.83%、丹麦 −4.65%），得益于完善的冷链体系和较强的诊断能力。毛里求斯虽然经济指标与上述国家相近，但脑膜炎负担却呈现异常上升（+4.41%），研究将其归因于该国约2%的HIV感染率显著增加了即食食品暴露人群的侵袭性感染风险。南部撒哈拉以南非洲内部同样存在差异，南非负担略有下降（−0.80%），莱索托则呈上升趋势（+0.91%），折射出HIV/AIDS相关免疫抑制与地方卫生诊断能力的双重差异。这些规律共同表明，脑膜炎型食源性疾病的控制不仅取决于食品安全基础设施的成熟度，还与卫生系统能力和人群免疫状况密切相关。

Fig. 3 Global Geographic Distribution of Estimated Annual Percentage Change (EAPC) for Age-Standardized Disability-Adjusted Life Years (ASDALY) and Death Rates (ASDR) across Two Disease Categories: (A-B) Diarrheal, (C-D) Meningitis (1990-2021).

  研究进一步通过年龄—性别分层分析（Fig. 4）揭示了食源性细菌疾病的高风险人群特征。腹泻与脑膜炎均呈现双峰年龄分布，5岁以下儿童和70岁以上老年人承受了明显更高的疾病负担。腹泻疾病的儿童和老年人年龄特异性DALY率均超过11,000/10万，分别为全球年龄标化率的9倍和45倍。儿童的高风险源于6—23月龄辅食添加窗口期母乳被动免疫减弱；老年人则因免疫功能下降及偏好即食冷藏食品，面临L. monocytogenes侵袭性脑膜炎的更高风险（病死率从健康成年人的1—3%升至老年群体的20—30%）。性别分析显示，男性在腹泻和脑膜炎负担上均一致高于女性（年龄特异性DALY率分别高出10.4%和16.1%），这一差异在劳动年龄段（15—49岁）最为突出，可能与职业性畜禽和肉类加工接触及生食肉类等行为因素有关。值得注意的是，病原体特异性分析（Fig. 5）进一步展示了各SDI水平下不同病原体的负担分布：低SDI国家的食源性腹泻负担以志贺菌（514.1/10万）、ETEC（280.9/10万）和EPEC（181.9/10万）为主，反映了不充分冷链和不卫生食物处理条件下粪—口途径的主导传播方式；高SDI国家的残余负担则主要集中于动物源食品供应链和即食产品，与家禽和鸡蛋中弯曲菌和NTS的记录危害相符。

Fig. 4 Age-Specific and Sex-Stratified Disease Burden for Two Disease Categories: DALYs and Mortality Rates across Five Age Groups (<5, 5-14, 15-49, 50-69, 70+ years) for Diarrheal, and Meningitis.

  在食物系统驱动因素分析方面，研究构建了覆盖1941个国家-年度观测值（1990—2021）的相关性分析体系，并结合图神经网络方法构建了关键路径网络（Fig. 8）。社会人口学指数（SDI）被确认为整个网络的核心枢纽变量，其与总体DALY率的Spearman相关系数为−0.830，与腹泻和脑膜炎分别为−0.832和−0.905，是研究中识别到的最强保护性因素。相关性热图（Fig. 6）显示，动物源性食品产量（肉、蛋、奶）与年龄标化疾病负担呈负相关（ρ = −0.22至−0.28），而豆类产量与两类疾病负担均呈正相关（ρ = +0.406），蔬菜产量亦呈正相关（ρ = +0.198）。这一格局的形成机制在于，在高SDI国家，完善的HACCP体系、冷链覆盖和病原体检测技术实现了生产规模与传播风险的有效解耦；而在低SDI国家，豆类种植往往伴随未经处理的灌溉水施用、未腐熟有机肥的使用以及有限的采后卫生控制，进而放大了粪—口途径的传播风险。值得关注的是，豆类农业生产系统被识别为跨病原体的共同脆弱节点，包括NTS（ρ = +0.388）、弯曲菌（ρ = +0.350）和L. monocytogenes（ρ = +0.397）在内的全部6种病原体均与豆类产量呈正相关，这一现象不局限于粪—口传播途径，提示其背后可能反映了更广泛的低SDI农业系统卫生基础设施短板。贸易模式分析亦呈现系统性差异：谷物（ρ = −0.339）、乳制品（ρ = −0.288）和鸡蛋（ρ = −0.266）的净出口与负担负相关，主要来自已建立严格食品安全标准的高SDI出口国；而坚果（ρ = +0.413）、蔬菜（ρ = +0.238）和水果（ρ = +0.228）的净出口则与负担正相关，在一定程度上反映了低中等收入国家国内市场与出口市场之间可能存在的监管强度差异。

Fig. 8Critical pathway network of foodborne disease burden and associated determinants. 

  基于1990—2021年历史数据的时间序列集成预测模型（整合ARIMA、Prophet、TBATS与联合点回归）显示，若当前趋势延续，至2050年全球腹泻疾病年龄标化DALY率预计下降69.50%（从312.95降至约95.45/10万），脑膜炎年龄标化DALY率预计下降64.59%（从8.90降至约3.15/10万）（Fig. 9）。然而，分区域预测结果揭示出明显的区域间持续差距：预计至2050年，撒哈拉以南非洲的腹泻疾病负担仍将是高收入地区的51.66倍（79.84 vs. 1.55/10万），脑膜炎负担仍高出29.73倍（9.34 vs. 0.31/10万）。这表明，依赖历史路径的自然演进并不足以弥合全球食品安全的健康公平差距，低资源地区仍需要加速、有针对性的食品安全能力建设。

Fig. 9 Predictive Modeling of Future Disease Burden Trends: Forecasted Age-Standardized Disability-Adjusted Life Year Rates (ASDALY) from 2022 to 2050 Based on Historical Data (1990-2021).

  总体而言，本研究从全球疾病负担量化出发，依次推进至时间趋势分析、脆弱人群识别、食物系统驱动因素解析和未来负担预测，形成了“病原体归因负担—食物系统结构分析—政策靶点识别”的完整分析链条。研究结果表明，影响食源性细菌疾病负担的核心要素是食品安全基础设施的成熟度，而非食品生产的规模本身；食品安全本质上是一个与减贫、营养保障和卫生系统建设密切交织的发展问题。在食品行业层面，研究提示应优先强化面向老年群体即食食品的L. monocytogenes检测管控、婴幼儿辅食的微生物标准，以及快速扩张畜禽产业中弯曲菌和沙门菌的全链条防控；在全球治理层面，则需要针对不同病原体、不同食物载体与不同区域情境制定精准干预策略，加大低资源地区冷链覆盖、非正规市场采后卫生管理和微生物监测能力的定向投入，以支撑WHO全球食品安全战略及可持续发展目标的实现。