孟德爾隨機(jī)化分析在骨質(zhì)疏松癥病因?qū)W研究中的應(yīng)用

魏曉偉 張曉梅

北京大學(xué)國際醫(yī)院，北京 102206

骨質(zhì)疏松癥 (osteoporosis，OP)是一種以骨量低，骨組織微結(jié)構(gòu)損壞，導(dǎo)致骨脆性增加，易發(fā)生骨折為特征的全身性骨病。作為一種與增齡相關(guān)的骨骼疾病，骨質(zhì)疏松癥患病率隨著人口老齡化程度的加劇，成為重要的公共衛(wèi)生問題[1]。發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的可控因素，從而采取積極的措施防治骨質(zhì)疏松具有重大意義。

既往的觀察性研究發(fā)現(xiàn)，雌激素水平低、體重指數(shù)低、體力活動(dòng)缺乏、吸煙、酗酒以及鈣和維生素D的攝入不足與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，但因無法避免混雜干擾、因果倒置、回歸稀釋等影響，觀察性研究成果無法為防治策略的制定提供強(qiáng)有力的證據(jù)。隨機(jī)對照研究是得到因果關(guān)系的金標(biāo)準(zhǔn)，但受到費(fèi)用、倫理等方面的限制，難以大量開展。孟德爾隨機(jī)化分析能夠克服上述兩者的不足，協(xié)助明確骨質(zhì)疏松的致病因素，成為近幾年炙手可熱的研究手段，使骨質(zhì)疏松致病因素的研究有了質(zhì)和量的突破。

1 孟德爾隨機(jī)化分析

1.1 原理

孟德爾隨機(jī)化分析是工具變量法和孟德爾遺傳定律的結(jié)合。工具變量法是指，所要研究的暴露因素的差異由某基因型的差異決定或與該基因型的差異高度吻合，則選擇該基因型為工具變量，通過研究工具變量與結(jié)局之間的關(guān)系，來推斷暴露因素與結(jié)局的關(guān)系。孟德爾遺傳定律中的自由組合定律決定了在根據(jù)工作變量分組的同時(shí)，與其他混雜因素的基因自由組合，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)化分配。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

孟德爾隨機(jī)化分析無需人為干預(yù)，突破了隨機(jī)對照研究費(fèi)用和有害因素暴露的倫理限制，與觀察性分析比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)保證暴露與結(jié)局的先后順序，避免因果倒置；(2)減少混雜因素對結(jié)果的影響；(3)可進(jìn)行長時(shí)間暴露與結(jié)局的研究(工具變量終生有效)；(4)基因型檢測的高準(zhǔn)確性可有效避免檢測誤差導(dǎo)致的回歸稀釋。

1.3 工具變量的必備條件

為了得到可靠的研究結(jié)果，必須保證工具變量的有效性。工具變量的必備條件包括：(1)與暴露因素高度相關(guān)；(2)與可能影響暴露-結(jié)局的混雜因素?zé)o關(guān)；(3)僅通過所研究的暴露因素與結(jié)局相關(guān)。

1.4 局限性

孟德爾隨機(jī)化極大程度克服了傳統(tǒng)研究的缺點(diǎn)，卻仍存在一定的局限性：(1)連鎖不平衡。工具變量如果與代表其他與結(jié)局具有因果關(guān)系的等位基因存在連鎖不平衡，則結(jié)果可能出現(xiàn)假陽性;(2)人群分層。工具變量和結(jié)局在不同種族人群中分布有明顯種族差異性;(3)基因多效性。該工具變量可同時(shí)控制多個(gè)可能與結(jié)局相關(guān)的暴露因素，從而影響結(jié)果判讀，應(yīng)盡量避免，但無法完全避免;(4)其他。工具變量對暴露因素的微效性、社會(huì)壓力干擾基因型控制行為、發(fā)育中的代償機(jī)制等均可導(dǎo)致假陰性結(jié)果的出現(xiàn)。

2 孟德爾隨機(jī)化分析與骨質(zhì)疏松癥

2009年一項(xiàng)研究兒童體脂對骨量影響的孟德爾隨機(jī)化分析最早將孟德爾隨機(jī)化應(yīng)用于骨代謝研究[2]。自2014年開始，應(yīng)用孟德爾隨機(jī)化研究骨質(zhì)疏松致病因素的文章大量發(fā)表，對既往觀察性研究發(fā)現(xiàn)的骨質(zhì)疏松危險(xiǎn)因素進(jìn)行探討，為防治骨質(zhì)疏松提供高質(zhì)量的證據(jù)(表1)。

表1 常見骨質(zhì)疏松相關(guān)因素與骨質(zhì)疏松因果關(guān)系的孟德爾隨機(jī)化分析結(jié)果Table 1 Mendel's randomized analysis of common osteoporosis risk factors of osteoporosis

2.1 維生素D

維生素D因其在鈣磷代謝中的重要作用被廣泛應(yīng)用于骨質(zhì)疏松的預(yù)防和治療。然而，多項(xiàng)隨機(jī)對照研究[3]提示，健康人群補(bǔ)充維生素D并不能降低骨質(zhì)疏松或脆性骨折的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。由于受到干預(yù)時(shí)間短、干預(yù)人群與普通人群區(qū)別較大的限制，上述研究結(jié)果并未被國內(nèi)外膳食指南和骨質(zhì)疏松診療指南采納應(yīng)用。李珊珊等對1 824名絕經(jīng)后中國婦女進(jìn)行孟德爾隨機(jī)化分析，并未發(fā)現(xiàn)血清25羥維生素D濃度和骨代謝存在關(guān)聯(lián)[4]。2018年的一項(xiàng)孟德爾隨機(jī)化分析囊括了32 965個(gè)來自骨質(zhì)疏松癥聯(lián)合會(huì)(GEFOS)和142 487個(gè)英國生物銀行的歐裔個(gè)體，也未發(fā)現(xiàn)兩者的關(guān)聯(lián)[5]。2019年一項(xiàng)對歐裔人群的研究得到了相同的結(jié)論[6]。

2.2 奶制品攝入

奶制品可以提供骨骼形成所必須的鈣和蛋白質(zhì)，是公認(rèn)的防治骨質(zhì)疏松的理想食物，但奶制品攝入量與骨質(zhì)疏松的發(fā)生是否存在關(guān)聯(lián)仍存在爭論。一項(xiàng)涉及53 236個(gè)歐裔個(gè)體的孟德爾隨機(jī)化分析發(fā)現(xiàn)，奶制品攝入與骨密度無相關(guān)性[7]。Bergholdt等[8]對3個(gè)丹麥隊(duì)列里共97 811個(gè)白人個(gè)體進(jìn)行分析，同樣否定了奶制品攝入與腰椎和髖部骨密度(bone mineral density, BMD)的因果關(guān)系，但發(fā)現(xiàn)奶制品攝入增加與股骨頸BMD升高存在相關(guān)性。

2.3 糖尿病與空腹血糖

在觀察性研究中發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者及高空腹血糖可能與高BMD相關(guān)[9]，但由于2型糖尿病患者體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)均值高于普通人群，BMI對BMD的影響作為混雜因素難以避免，而降糖藥物的干預(yù)使空腹血糖水平與BMD相關(guān)性的研究變得困難。Omar S Ahmad等學(xué)者[10]通過排除與肥胖相關(guān)的2型糖尿病工作變量，消除BMI對BMD的影響，在樣本量十余萬的歐裔人群中發(fā)現(xiàn)了與觀察性研究一致的結(jié)果：T2DM和空腹血糖對BMD有弱的正向影響。Katerina Trajanoska等學(xué)者[11]對來自23個(gè)歐裔隊(duì)列分析得到類似的結(jié)論，同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)，1型糖尿病與BMD并不存在因果關(guān)系。

2.4 體脂含量

眾所周知，體重與BMD呈正相關(guān)，而體脂含量(脂肪組織所占體重比例)對BMD的作用存在爭議。為了解決這個(gè)問題，Timpson等學(xué)者[2]首次將孟德爾隨機(jī)化分析應(yīng)用于骨質(zhì)疏松方面的研究，在平均年齡9.9歲的7 470名兒童中證實(shí)了高體脂含量可導(dǎo)致BMD升高。2016年，該課題組考慮到上述研究選取的工具變量存在多效性，即可通過影響肌肉含量影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以應(yīng)用相同隊(duì)列的兒童進(jìn)一步完善該研究，選取更特異的工具變量探討兩者的關(guān)系，再次證實(shí)體脂可提高BMD，并提示這種作用主要存在于承重部位的骨骼中[12]。泰國研究團(tuán)隊(duì)[13]在2 154個(gè)成人中進(jìn)行體脂含量對BMD作用的孟德爾隨機(jī)分析，發(fā)現(xiàn)體脂含量僅影響股骨BMD，椎體BMD水平與體脂含量并無相關(guān)性。

2.5 炎癥因子

越來越多的研究揭示了炎癥因子在糖尿病、肥胖等慢性疾病中的致病作用，骨質(zhì)疏松與炎癥因子的關(guān)系也備受矚目。多個(gè)觀察性研究[14-17]分析了C反應(yīng)蛋白(CRP)、白介素-6(IL-6)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)等炎癥因子與骨質(zhì)疏松的相關(guān)性，結(jié)論并不一致。一項(xiàng)研究[18]運(yùn)用孟德爾隨機(jī)化方法分析歐洲人群中CRP、MCP-1等炎癥因子與骨質(zhì)疏松的關(guān)系，并未發(fā)現(xiàn)炎癥因子對骨質(zhì)疏松的致病作用。

2.6 尿酸

觀察性研究發(fā)現(xiàn)，尿酸水平和骨密度呈正相關(guān)，尿酸水平升高，脆性骨折發(fā)生率減少[19- 20]。如果尿酸與骨密度存在因果關(guān)系，就意味著目前被廣泛采納的對于痛風(fēng)患者的強(qiáng)化降尿酸治療可能增加骨質(zhì)疏松的風(fēng)險(xiǎn)。Nicola Dalbeth等[21]為了消除與尿酸相關(guān)的體重、利尿劑、激素等混雜因素的影響，運(yùn)用孟德爾隨機(jī)化探究尿酸與骨密度的因果關(guān)系。通過對Framingham心血管研究中的第3代隊(duì)列中的2 501個(gè)體進(jìn)行分析，并未發(fā)現(xiàn)尿酸與骨密度的相關(guān)性。

2.7 其他

隨著孟德爾隨機(jī)化分析在骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對于雌激素[5]、青春期延遲[11]、促甲狀腺素[22]、吸煙[23]、飲酒[23]、自身免疫疾病[11]等可能影響骨質(zhì)疏松發(fā)生發(fā)展的危險(xiǎn)因素的孟德爾隨機(jī)化分析也在近幾年陸續(xù)開展。上述研究中證實(shí)了雌激素水平下降、青春期延遲、吸煙等因素對骨質(zhì)疏松的促進(jìn)作用，否定了促甲狀腺素、飲酒、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎及炎癥性腸病等自身免疫病參與骨質(zhì)疏松發(fā)病的過程。

3 小結(jié)

孟德爾隨機(jī)化分析雖然在流行病學(xué)病因推斷方面的應(yīng)用仍處于起步期，但由于和傳統(tǒng)研究相比具有其獨(dú)特優(yōu)勢，得到了國內(nèi)外學(xué)者迅速廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，推動(dòng)了疾病發(fā)病因素的研究。在骨質(zhì)疏松癥方面，應(yīng)用孟德爾隨機(jī)化分析，探討了維生素D、奶制品攝入、糖尿病等多種傳統(tǒng)認(rèn)為與骨質(zhì)疏松密切相關(guān)，而觀察性研究結(jié)果卻充滿爭議的因素與骨質(zhì)疏松的因果關(guān)系，為骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制的探討提供了思路，為骨質(zhì)疏松防治策略提供了證據(jù)。然而，不可忽略的是，目前研究仍存在以下問題有待解決：基因微效性、研究人群數(shù)量相對較少，可能導(dǎo)致假陰性結(jié)果；已發(fā)表研究主要集中于歐洲人群，缺乏亞洲等其他人群相關(guān)研究報(bào)道；缺乏因果關(guān)系證實(shí)后發(fā)病機(jī)制的進(jìn)一步探索等，要求需要更大樣本量、多人種驗(yàn)證及后續(xù)基礎(chǔ)研究的跟進(jìn)。未來一段時(shí)間，孟德爾隨機(jī)化研究將得到更廣闊地應(yīng)用和發(fā)展，在疾病病因的研究中發(fā)揮更為顯著的作用。