Valutazione spazio-temporale dell’inquinamento atmosferico e dei rischi acuti per la salute: integrazione di dati sanitari geolocalizzati e modelli di qualità dell’aria

Air pollution remains a major public health challenge and is the second leading contributor to the global burden of disease. Evidence on the temporal dynamics and spatial variability cardiovascular risk attributed with short-term exposure remains inconclusive for several pollutants. These knowledge gaps limit the development of timely public health interventions and evidence-based planning. This thesis, therefore, investigates health risk, with particular focus on acute cardiovascular risk linked to short-term air pollution exposure through the application of advanced data sources and state-of-the-art methodologies. The research integrates large-scale, multi-year health geomatics data with advanced models of exposure-response function estimation, relying on spatiotemporal statistical methods. A two-stage distributed lag non-linear model (DLNM) framework was implemented across two European regions, Lombardy (Italy) and Baden-Wurttemberg (Germany), to estimate exposure-lag-response relationships. Analyses incorporated stratification by demographic characteristics and urbanisation, and assessed modification by season, co-pollutants, and extreme temperatures. Distinct health datasets were used, with out-of-hospital cardiac arrest (OHCA) records from regional emergency medical services in Lombardy, and all-cause mortality, all-cause and cardiovascular-specific hospital admissions and sick leaves (an understudied health outcome) from a public health insurance agency in Baden-Wurttemberg. Prior to risk assessment, a systematic review synthesised current spatiotemporal statistical methods and identified key sociodemographic and built-environment modifiers of acute cardiovascular risk. Multiple exposure estimation methods were evaluated, with the Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) air quality models selected for their spatial, and temporal continuity and validated performance. A comprehensive exposure analysis further examined spatiotemporal pollution patterns in Lombardy, a region frequently exceeding EU and WHO thresholds. Across both regions, short-term increases in air pollution (lags 0-14 days) were associated with elevated risks of adverse cardiovascular outcomes, with the strongest effects observed within 0-4 days. Ozone-related risks were aggravated under warmer conditions, and NO2 consistently showed comparatively higher relative risks despite declining concentration trends. In Lombardy, particulate matter, NO2, O3, SO2, and CO were significantly associated with OHCA, especially among older adults, males, and urban populations. In Baden-Wurttemberg, despite lower pollution levels, significant associations were observed for NO2 and O3 at concentrations near EU regulatory limits, with stronger O3 effects during high temperatures. In conclusion, this thesis offers a comprehensive methodological framework, detailed exposure characterisation, and robust empirical evidence of spatially and temporally varying cardiovascular risks. The work addresses directly to the Sustainable Development Goals, SDG 3.9, SDG 11.6, and SDG 13.2, of reducing pollution-related health burdens by guiding operational preparedness for emergency services, targeted preventive healthcare strategies, and integrated air quality and climate policies.

L’inquinamento atmosferico rimane una delle principali sfide per la salute pubblica, rappresentando il secondo fattore di rischio globale per le patologie non trasmissibili. Le evidenze sulle dinamiche temporali e sulla variabilità spaziale del rischio patologico, in particolare cardiovascolare, attribuibile all’esposizione a breve termine ad inquinanti restano tuttavia inconclusive per diversi inquinanti. Queste lacune limitano lo sviluppo di interventi tempestivi di sanità pubblica e di una pianificazione basata su evidenze scientifiche. In questo contesto, la presente tesi indaga il rischio per la salute associato all’esposizione a breve termine all’inquinamento atmosferico, con particolare attenzione al rischio cardiovascolare acuto, utilizzando fonti di dati avanzate e metodologie all’avanguardia. La ricerca utilizza dati geospaziali sanitari su larga scala e su periodi pluriennali, integrati in modelli statistici spazio-temporali di stima della relazione esposizione-risposta. È stato implementato un modello, Distributed Lag Non-Linear Model a due stadi, in due regioni europee, la Lombardia (Italia) e il Baden-Wurttemberg (Germania), per stimare le relazioni esposizione-ritardo-risposta. Le analisi hanno incluso stratificazioni per caratteristiche demografiche e grado di urbanizzazione, nonché la valutazione di modificazioni dell’effetto dovute a stagione, co-inquinanti e temperature estreme. Sono stati utilizzati differenti dataset sanitari: in Lombardia, i registri di arresto cardiaco extra-ospedaliero dei servizi di emergenza medica regionali; in Baden-Wurttemberg, i dati su mortalità generale, ricoveri ospedalieri totali e cardiovascolari e assenze lavorative per malattia provenienti da un ente assicurativo sanitario pubblico. Prima della valutazione del rischio, una revisione sistematica ha sintetizzato i principali metodi statistici spazio-temporali e identificato i principali modificatori sociodemografici e dell’ambiente costruito del rischio cardiovascolare acuto. Sono stati valutati diversi metodi di stima dell’esposizione, selezionando i modelli di qualità dell’aria del Copernicus Atmosphere Monitoring Service per la loro continuità spaziale e temporale e per l’alto livello di validazione per utilizzo scientifico. Un’analisi approfondita dell’esposizione ha inoltre esaminato i pattern spazio-temporali dell’inquinamento in Lombardia, una regione che supera frequentemente le soglie dell’UE e dell’OMS. In entrambe le regioni, aumenti a breve termine dell’inquinamento atmosferico sono risultati associati a un incremento del rischio di esiti cardiovascolari avversi, con effetti più marcati entro 0-4 giorni. I rischi associati all’ozono sono risultati aggravati in condizioni più calde e l’NO2 ha mostrato costantemente rischi relativi comparativamente più elevati, nonostante la diminuzione delle concentrazioni nel tempo. In Lombardia, NO2, O3, SO2 e CO sono risultati significativamente associati agli OHCA, in particolare tra anziani, uomini e popolazioni urbane. In Baden-Wurttemberg, nonostante livelli di inquinamento inferiori, sono state osservate associazioni significative per NO2 e O3 anche a concentrazioni prossime ai limiti normativi europei, con effetti dell’O3 più marcati durante periodi con temperature elevate. In conclusione, questa tesi fornisce un quadro metodologico completo, una caratterizzazione dettagliata dell’esposizione e solide evidenze empiriche di rischi cardiovascolari, con quantificazione della variabilità nello spazio e nel tempo. Il lavoro contribuisce direttamente agli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile, in particolare SDG3.9, SDG11.6 e SDG13.2, con una potenziale riduzione del carico sanitario legato all’inquinamento attraverso un supporto alla preparazione operativa dei servizi di emergenza, strategie preventive mirate di assistenza sanitaria e politiche integrate di qualità dell’aria e clima.