孟德爾隨機化在常見眼病中的研究進展

張熙然,袁韋辰,李祥瑞,徐菲兒,趙芳坤

0 引言

孟德爾隨機化(Mendelian randomization,MR)是一種評價暴露與臨床結果之間因果關系的方法,它以與特定性狀具有強關聯的基因作為工具變量(instrument variables,IVs)[1],代替暴露因素代入回歸模型進行分析,從而間接得出暴露與結局的因果關系。由于基因是配子形成之時隨機分配的,出生后受外界環(huán)境影響很小,且基因與暴露之間只存在單向關系,因此MR可以避免混雜因素、反向因果、選擇偏倚以及誤差衰減的干擾[2]。在眼科學領域,MR分析主要用于病因學研究,包括但不限于環(huán)境、性狀、微生物等對特定眼病發(fā)生、發(fā)展和轉歸的影響,為眼科疾病的治療和預后提供新思路。本文就MR在常見眼病及其暴露因素研究中的應用做一系統綜述,基本信息見表1。

表1 孟德爾隨機化在常見眼病中的應用

1 過敏性結膜炎

過敏性結膜炎(allergic conjunctivitis,AC)是結膜受到變應原刺激而產生變態(tài)反應的現象,脫離過敏原后可自行緩解,部分過敏體質的患者可同時有濕疹、過敏性鼻炎等一系列過敏癥狀。

目前,MR被用于研究常見過敏原花粉、塵螨外的其他環(huán)境抗原對過敏性結膜炎的影響。Zhou等[3]通過設計雙向兩樣本MR分析得出特應性皮炎會導致結膜炎(過敏性結膜炎OR值為1.53,特應性結膜炎OR值為1.76,慢性結膜炎OR值為1.76),而結膜炎卻不會導致特應性皮炎的發(fā)生,從而確定二者間的因果關系。Liu等[4]通過逆方差加權(IVW)估計等方法得出腸道菌群雙形霍爾德曼氏菌(Holdemanella)等參與免疫調節(jié),降低過敏性結膜炎發(fā)病率;而顫螺菌屬(oscillospira)則會產生與炎癥性疾病相關的物質,增加過敏性結膜炎的發(fā)病率。一項同時應用多變量與單變量的兩樣本MR分析顯示,體內多不飽和脂肪酸的種類、數量對過敏性疾病的發(fā)生有一定影響[5]。在考慮年齡、經濟水平、體質量指數及日常行為習慣的前提下,Omega-3脂肪酸對AC的發(fā)生有保護作用,而Omega-6:3脂肪酸則會增加AC的發(fā)病風險。Zhang等[6]通過IVW等方法得出注意缺陷多動障礙與過敏性結膜炎無關的結論。以上這些相關因素的發(fā)現為過敏性結膜炎病因學研究提供了新方向,也為其預測性治療、靶向防治等提供了新思路。

2 白內障

白內障(cataract)是全球首位致盲性眼病,約占全部致盲原因的51%[7]。長期以來,人們一直認為生活方式及其導致的代謝性疾病對白內障的發(fā)病有重要影響。一項為期11 a的跟蹤觀察研究表明,吸煙和飲酒等不良生活習慣會導致白內障的發(fā)病率年輕化,進而推斷這些不良生活方式促使白內障的發(fā)生[8]。Yuan等[9]通過MR研究得出肥胖、2型糖尿病、高收縮壓、吸煙可增加年齡相關性白內障風險的結論。然而,一項雙樣本MR研究表明,體質量指數、2型糖尿病和高血壓與白內障的發(fā)生并無關聯,也沒有足夠的證據表明吸煙或飲酒與白內障有關[10]。此外,對于這些因素與不同部位白內障的關系,觀察性研究和孟德爾隨機化得出了不同的結論。約翰霍普金斯大學進行的一項觀察性研究顯示[8],糖尿病和高收縮壓是導致后囊下白內障的危險因素(RR分別為2.2和6.6)。隨后,Lim等[11]利用MR分析,證實肥胖與皮質和后囊下白內障有關,但與核性白內障無關。以上偏差可能由于檢測方法不同、樣本量不夠大、樣本有重疊、受試人群不具普遍性等造成,提示我們尚需更合理的實驗設計進行進一步分析研究,減小誤差。

3 青光眼

青光眼(glaucoma)是僅次于白內障的第二大致盲眼病,也是不可逆性致盲的最主要病因[12]。目前,學者多對脂類代謝、咖啡因攝入以及近視等暴露因素與原發(fā)性開角型青光眼(primary open angle glaucoma,POAG)的因果聯系進行MR分析。

關于脂類代謝異常對青光眼的影響,觀察性研究得出結論尚存爭議[13-15]。Xu等[16]通過MR分析得出低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)、甘油三酯與POAG無因果關系,即血脂水平與POAG無關的結論。Bao等[17]通過兩樣本MR分析216 257名歐洲參與者的基因序列得出結論,二十二碳六烯酸(DHA)等十項脂肪酸與POAG均無因果聯系。Nusinovici等[18]通過兩樣本MR分析同樣得出常規(guī)檢查的血脂(HDL-C、LDL-C等)與POAG無關,除此之外,他們還發(fā)現小型高密度脂蛋白膽固醇HDL3-C與POAG有顯著關聯,HDL3-C水平越高,POAG發(fā)病率越低。

病理性眼壓增高是青光眼的主要危險因素,而咖啡因對于眼壓有重要影響。一項安慰劑對照、雙盲試驗[19]指出不常攝入咖啡因的人群在攝入咖啡因后可能造成眼壓急劇升高。而一項隨機對照試驗[20]表明一杯咖啡(大約182 mg咖啡因)的攝入對于健康人或是有青光眼家族史的參與者均無顯著影響。Li等[21]通過兩樣本MR分析得出結論,咖啡因攝入在基因層面上與POAG有關聯,咖啡因攝入量越高,患POAG的風險越大。而Kim等[22]對英國生物樣本庫(UK Biobank)的數據進行MR分析后得出結論,習慣性咖啡因攝入不會增加患青光眼的風險,但會升高有易感基因者的眼壓,增加有家族遺傳病史者患青光眼的風險。綜上所述,有青光眼,特別是POAG家族史的人群應注意咖啡因的攝入,注意監(jiān)測眼壓。

目前全球近視人口數量龐大,高度近視在年輕人群中發(fā)病率逐漸增高[23]。相關研究表明,近視是青光眼發(fā)病的重要影響因素。一項Meta分析[24]得出結論,近視者患POAG的概率約為非近視者的2倍。另有分析[25]得出近視程度與POAG的關聯度為1.88(OR值),即近視每增加1.00 D,患POAG的風險增加20%。Choquet等[26]通過設計兩樣本MR分析得出結論,近視患者患POAG風險更大,二者存在因果聯系;與對照組相比,POAG患者中有高度近視的人更多;且在病因學上近視與POAG有共同遺傳密碼。Chong等[27]通過多種MR模型得出近視與IOP、POAG的雙向因果聯系,并提出對青光眼患者進行降眼壓治療可以對近視的治療有一定益處。

4 葡萄膜疾病

前葡萄膜炎(anterior uveitis)包括虹膜炎、虹膜睫狀體炎和前部睫狀體炎三種類型,是葡萄膜炎的最常見類型。在病因學上,遺傳因素對前葡萄膜炎的發(fā)病起到重要作用。有證據表明,急性前葡萄膜炎與人類白細胞抗原HLA-B27密切相關[28]。Meng等[29]通過雙向MR設計、IVW等方法校正偏倚后得出克羅恩病、潰瘍性結腸炎都會增加虹膜睫狀體炎的發(fā)病風險,且發(fā)病機制上克羅恩病與虹膜睫狀體炎關聯更強;反之虹膜睫狀體炎不會導致克羅恩病、潰瘍性結腸炎發(fā)病風險升高,提示炎癥性腸病患者應定期進行眼部檢查,早期發(fā)現病情。Shu等[30]通過MR分析得出亞油酸可以預防幼年特發(fā)性關節(jié)炎相關虹膜睫狀體炎,而花生四烯酸則會促使其發(fā)生。Lin等[31]通過兩樣本MR設計得出,低T細胞免疫球蛋白黏蛋白-3(TIM-3)表達水平或會對前葡萄膜炎起到保護作用。這些研究發(fā)現為前葡萄膜炎的發(fā)病機制提供更多可能,也為其病因學治療指明新方向。

5 視網膜病變

5.1年齡相關性黃斑變性年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration,ARMD)是造成不可逆性視力永久性損害甚至致盲的最常見原因之一。依據臨床表現和黃斑區(qū)病理改變可分為干性和濕性兩種類型。研究表明,血脂代謝、屈光不正等對ARMD的發(fā)病影響較大。

自20世紀60年代被列為重要致病因素以來,脂類代謝對ARMD的影響一直是研究的熱點。玻璃膜疣是干性ARMD的特征性表現,而脂類則是玻璃膜疣的重要組成成分[32]。觀察性研究已證實HDL-C與ARMD的發(fā)病呈正相關[33-34],但由于樣本數量、干擾因子等原因,其他脂類成分如LDL、甘油三酯等對ARMD的作用尚存在爭議[35-36]。Fan等[37]對41 452例參與者(歐洲33 976例,亞洲7 476例)的基因數據進行分析并得出結論,HDL-C與ARMD有直接因果聯系,OR值為歐洲人1.17,亞洲人1.58。而LDL-C和甘油三酯與ARMD無直接關聯。Burgess等[38]通過兩樣本MR分析得出HDL-C是ARMD的危險因素,OR值為1.22,發(fā)病原因主要與血漿膽固醇酯轉移蛋白(CETP)基因表達的抑制和變異有關,而脂肪酶(LIPC)基因變異可能起反作用。

研究表明,屈光不正與早、中期ARMD有關,且OR值較低(OR<1);與晚期ARMD無顯著聯系[39-40]。另有研究[41-44]表明屈光不正中遠視與ARMD患病呈正相關,而近視則為保護因素,即ARMD發(fā)病風險為遠視>正視>近視。其發(fā)病率可能與眼軸長度、內皮細胞生長因子濃度、鞏膜硬度有關。一項兩樣本MR分析顯示,近視、遠視與ARMD的因果關聯很小,該研究對126個多態(tài)基因片段進行IVW分析,結果顯示遠視每增長1.00 D,ARMD患病率增加約8%,OR值為1.08[45]。這些結論提示屈光不正特別是遠視患者更要注意ARMD的發(fā)生,定期檢查。

與此同時,Kuan等[46]通過設計兩樣本MR分析得出抽煙、喝酒會增加患ARMD風險,而戒煙則會降低患病風險。劉釗等[47]以IVW為主要研究方法得出2型糖尿病與滲出性ARMD存在因果聯系,是其危險因素,而與萎縮性ARMD無明顯聯系。Han等[48]通過全基因組分析(GWAS)得出血清C反應蛋白升高,各亞型ARMD患病率都升高的結論。這些結論揭示了更多易感因素,為ARMD的預防做出貢獻。

5.2糖尿病視網膜病變糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)是糖尿病最常見的微血管并發(fā)癥之一,分為非增生型(NPDR)和增生型(PDR)兩種,高血壓、高血糖、血脂異常等均為其危險因素[49]。有研究[50]進行5 a隨訪后得出結論,雷珠單抗治療的患者黃斑水腫性視力下降和視野缺損的發(fā)生率更低。Shi等[51]通過雙向雙樣本MR分析得出2種上游調控因子:白介素-8(IL-8)和重組人干細胞生長因子β(SCGFb),以及6種下游影響因子會增加患PDR風險。Skol等[52]利用MR分析確定血糖反應基因座與DR有關聯,腫瘤抑制基因濾泡蛋白(FLCN)基因座為DR易感基因。Liu等[53]則從腸道微生物入手,通過GWAS和MR研究得出克里斯藤森菌(christensenellaceae)、消化球菌科(peptococcaceae)等菌群與DR發(fā)病有因果聯系。這些致病因素或可成為DR的生物標志物,并為其治療方法的設計提出更多可能。

6 近視

近視(myopia)的患病人數在全球范圍內激增。東亞和東南亞地區(qū),青年人群的近視率高達80%-90%,且有10%-20%為高度近視[54]。到本世紀末,近視患者可達全球人口的三分之一[55]。

教育一直被認為是近視的重要致病因素。Morgan等[56]指出MR可用于研究受教育年限與近視患病率升高間的因果關系,而隨機臨床試驗已證實一定的戶外活動時間是其重要的保護因素。此外,電子產品的大規(guī)模使用、父母患近視等都是個體發(fā)生近視的危險因素。Mountjoy等[57]通過設計雙向MR分析探究教育時間與屈光不正之間的因果關系,并得出結論,受教育時間延長是近視的風險因素,具體表現為每多受1 a教育,近視程度增加-0.27 D。Plotnikov等[58]則通過MR分析得出,遠視與受教育的關系是非線性的,且輕度遠視并不會影響主要的受教育程度。

Li等[59]通過設計兩樣本MR分析得出脂聯素水平下降及糖化血紅蛋白(HbA1c)水平的升高會使近視發(fā)病率升高,提示嚴格的血糖控制可以控制近視的發(fā)展。Cuellar-Partida等[60]通過MR分析,將與25(OH)D水平有關的SNP作為工具變量,排除了以往研究中戶外運動的影響,探究維生素D缺乏本身是否影響近視的發(fā)生,得出在不受戶外運動干擾的前提下,維生素D缺乏與近視程度無關的結論。此外,一項單樣本MR分析表明,正常偏低的出生體質量與近視有因果關聯,但關聯很小[61]。

7 小結和展望

病因學研究是醫(yī)學科研的重要部分,風險因素的確定是采取有效措施對因治療、預防、提高患者生存質量的關鍵。隨機對照試驗具有較強的證據級別,被比作建立因果關系的“金標準”,卻因其高成本、可能存在倫理道德問題等因素受到限制。觀察性研究中得出環(huán)境因素與疾病之間的相關性很容易,但判斷他們之間具有因果性卻頗為困難。主要在于:(1)外界環(huán)境存在潛在干擾因素未被控制;(2)本不具有因果關聯的兩個事物因表現出相關性而使結論的得出受到干擾,即無法排除體系中具有“假因果”的混雜因素;(3)因果關聯不僅包含由因到果還包括由果溯因,即不能排除反向因果的存在。盡管混雜因素可以通過回歸模型消除,倘其未被觀測到,或數量太大時,回歸分析也難以得到完全不受偏倚影響的結論。同時,由于反向因果會使因變量與自變量同時變化,常規(guī)的回歸分析無法得出結果。MR分析一方面可以較好地規(guī)避上述實際操作中的問題,僅通過受試者的基因數據即可開展研究,數據采集不受限;另一方面可以避免反向因果、外界混雜因素的干擾,較為準確地判斷暴露因素與結局間的因果聯系,因此被廣泛用于眼科學及其他醫(yī)學領域。同時,眼部疾病種類繁多,MR分析還可用于識別眼科疾病中不明確的危險因素。

MR的應用為眼科發(fā)病機制的研究提供了新的思路,其在眼科學研究中有著無可替代的地位。但是由于受試者的種族、基因種類數目的局限性,現階段MR在眼病中的應用范圍有限且僅停留于病因研究,缺少對于復雜疾病的病理生理學及相關轉化性研究,如藥物靶標篩選的轉化,難以為臨床實際所用。但MR用于指導病因學研究方興未艾,將全基因組關聯分析與蛋白組學、代謝組學為代表的多組學分析相結合,以確定致病基因及潛在干預靶點,或可成為MR在眼病學應用的新思路。