孟德?tīng)栯S機(jī)化研究及其在腦卒中病因探索中應(yīng)用進(jìn)展

張曉宇 劉天一 朱文豪 王海峰

(吉林大學(xué)第一醫(yī)院神經(jīng)外科，吉林 長(zhǎng)春 130021)

腦卒中按照腦血管突然發(fā)生的病變可分為缺血性腦卒中和出血性腦卒中。缺血性腦卒中最常見(jiàn)的是腦梗死，其亞型包括大動(dòng)脈粥樣硬化、小血管閉塞和心源性腦卒中等〔1,2〕；出血性腦卒中分為腦出血和蛛網(wǎng)膜下腔出血兩大類〔3〕。腦卒中在目前中老年人群中有著較高的發(fā)病率、致殘率和死亡率〔4〕，所以探索腦卒中的病因和高危因素非常重要。近期，基于全基因組關(guān)聯(lián)研究的大樣本的孟德?tīng)栯S機(jī)化研究方法廣泛應(yīng)用在腦卒中的病因探索中，它是使用與風(fēng)險(xiǎn)因素相關(guān)的遺傳變異作為工具變量，推測(cè)風(fēng)險(xiǎn)因素和疾病之間的因果關(guān)系。近年來(lái)，孟德?tīng)栯S機(jī)化研究在疾病的高危因素探索中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文將圍繞目前孟德?tīng)栯S機(jī)化的研究方法及其在腦卒中的病因探索進(jìn)行綜述。

1 孟德?tīng)栯S機(jī)化研究的介紹

流行病學(xué)研究的主要目的是明確疾病的高危因素或者暴露于特定風(fēng)險(xiǎn)因素是否會(huì)改變疾病的嚴(yán)重程度的可能性〔5〕。傳統(tǒng)的觀察性研究由于無(wú)法排除環(huán)境中產(chǎn)生的混雜因素影響，即使在暴露和結(jié)果之間測(cè)量出了強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)時(shí)，也無(wú)法證明暴露和結(jié)局之間存在明確的因果關(guān)系。與傳統(tǒng)的觀察性研究相比，孟德?tīng)栯S機(jī)化研究使用長(zhǎng)時(shí)間暴露產(chǎn)生的遺傳變異作為工具變量(通常是單核苷酸多態(tài)性)來(lái)模擬暴露因素對(duì)疾病易感性的影響，有效避免了反向因果和混雜因素干擾，繼而更為準(zhǔn)確地推測(cè)出暴露和結(jié)局之間的因果關(guān)系〔6～8〕。

孟德?tīng)栯S機(jī)化是由Katan在1986年首次提出，它是以孟德?tīng)柗蛛x定律為理論基礎(chǔ)，即“對(duì)親本性狀的等位基因形成配子時(shí)產(chǎn)生的影響，隨減數(shù)分裂隨機(jī)分配給子代”，利用全基因組關(guān)聯(lián)研究通過(guò)測(cè)試數(shù)百萬(wàn)個(gè)遺傳變異與疾病或者風(fēng)險(xiǎn)因素結(jié)果的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)了大量與人類疾病或風(fēng)險(xiǎn)因素相關(guān)的遺傳變異，在一些大型生物庫(kù)中(如英國(guó)生物銀行UK Biobank，F(xiàn)INNGEN等)可以獲取這些疾病和風(fēng)險(xiǎn)因素相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性信息，然后利用這些單核苷酸多態(tài)性作為工具變量，進(jìn)行有目的性的孟德?tīng)栯S機(jī)化研究。

孟德?tīng)栯S機(jī)化研究在確立暴露和結(jié)局的因果關(guān)系前，必須滿足3個(gè)基本假設(shè)：(1)工具變量與暴露因素強(qiáng)相關(guān)；(2)工具變量與任何潛在的混雜因素?zé)o關(guān)；(3)工具變量與結(jié)局不直接相關(guān)，它對(duì)結(jié)局的作用只通過(guò)暴露來(lái)體現(xiàn)〔9〕。第一個(gè)假設(shè)通過(guò)選擇與暴露因素強(qiáng)烈相關(guān)的遺傳變異來(lái)解決；后兩個(gè)假設(shè)通常被遺傳多效應(yīng)所違反，即一個(gè)基因位點(diǎn)通常影響一個(gè)以上的性狀，這就意味著遺傳變異位點(diǎn)可能通過(guò)暴露以外的途徑去影響結(jié)局。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多方法去檢驗(yàn)多效性，例如，在加權(quán)中位數(shù)作為孟德?tīng)栯S機(jī)化的主要分析方法評(píng)估暴露和結(jié)局的因果關(guān)系時(shí)，MR-Egger、加權(quán)中值、加權(quán)模式和多效性殘差和異常值(MR-PRESSO)經(jīng)常作為加權(quán)中位數(shù)的補(bǔ)充方法，進(jìn)行孟德?tīng)栯S機(jī)化研究結(jié)果的敏感性分析來(lái)檢驗(yàn)結(jié)果是否有因所選擇的工具變量的多效性而產(chǎn)生的偏倚〔10～14〕。

孟德?tīng)栯S機(jī)化研究過(guò)程中，通常暴露和結(jié)局的遺傳變異信息通常來(lái)自不同的人群，這也就是孟德?tīng)栯S機(jī)化最基本的研究方法，即兩樣本孟德?tīng)栯S機(jī)化〔15〕。這就需要考慮群體分層所產(chǎn)生的異質(zhì)性問(wèn)題，這會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生偏倚，所以在進(jìn)行孟德?tīng)栯S機(jī)化研究過(guò)程中通常盡可能地選擇有相同遺傳背景的人群。在此基礎(chǔ)上，還發(fā)現(xiàn)了其他的孟德?tīng)栯S機(jī)化的研究形式。例如：(1)雙向孟德?tīng)栯S機(jī)化評(píng)估了暴露和結(jié)局之間正向和反向因果關(guān)系，即暴露和結(jié)局是否互為因果，這就需要暴露和結(jié)局之間正反進(jìn)行兩次的孟德?tīng)栯S機(jī)化研究〔15〕；(2)兩步孟德?tīng)栯S機(jī)化探討了中介變量是否能介導(dǎo)暴露對(duì)結(jié)局的影響，這一般適用于尋找從暴露到結(jié)局的潛在發(fā)生機(jī)制〔15,16〕。在中介效應(yīng)的探究過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生3個(gè)參數(shù)：假設(shè)暴露對(duì)結(jié)局的直接效應(yīng)為A；暴露對(duì)中介變量的效應(yīng)為B；中介變量對(duì)結(jié)局的效應(yīng)為C。若A、B、C均顯著，說(shuō)明暴露到結(jié)局存在因果關(guān)系，且這種關(guān)聯(lián)有一部分是由中介變量介導(dǎo)的；若A不顯著，B、C都顯著，則說(shuō)明暴露到結(jié)局完全由中介變量介導(dǎo)；若A顯著，但B、C中至少有一個(gè)不顯著，說(shuō)明從暴露到結(jié)局的因果關(guān)聯(lián)中不存在由該中介變量介導(dǎo)的中介效應(yīng)；(3)多變量孟德?tīng)栯S機(jī)化研究時(shí)，通常使用兩個(gè)以上彼此之間存在一定關(guān)聯(lián)的暴露因素，比如高密度脂蛋白，低密度脂蛋白，三酰甘油和載脂蛋白B等，結(jié)果會(huì)展現(xiàn)出在考慮多種暴露因素時(shí)，其中的單個(gè)暴露因素在矯正其他因素影響后是否對(duì)結(jié)局存在因果關(guān)系〔15,16〕。不同形式研究方法，使得孟德?tīng)栯S機(jī)化在疾病高危因素探究中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2 孟德?tīng)栯S機(jī)化在腦卒中病因的探索

2.1生活方式因素和腦卒中 在過(guò)去的觀察性研究中，發(fā)現(xiàn)了許多生活方式因素和腦卒中風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，但是這些生活方式是否與腦卒中之間有明確的因果關(guān)系及改變這些因素是否會(huì)降低腦卒中的患病風(fēng)險(xiǎn)尚不清楚。Harshfield等〔17〕通過(guò)兩樣本孟德?tīng)栯S機(jī)化和多變量孟德?tīng)栯S機(jī)化研究發(fā)現(xiàn)了抽煙和肥胖比會(huì)增加缺血性腦卒中及其亞型(大動(dòng)脈粥樣硬化和小血管閉塞)的風(fēng)險(xiǎn)，而受教育年限和腦出血、缺血性腦卒中及其亞型呈負(fù)相關(guān)。Titova等〔18〕利用前瞻性隊(duì)列研究和孟德?tīng)栯S機(jī)化研究分析了睡眠時(shí)間和腦卒中的關(guān)系，在前瞻性研究中發(fā)現(xiàn)睡眠時(shí)間長(zhǎng)與缺血性腦卒中的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，睡眠時(shí)間段與腦出血風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，然而孟德?tīng)栯S機(jī)化研究并不支持這些發(fā)現(xiàn)，但表明了基因預(yù)測(cè)的短睡眠時(shí)間僅和缺血性腦卒中的亞型大動(dòng)脈腦卒中的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān),Ma等〔19〕應(yīng)用兩樣本孟德?tīng)栯S機(jī)化研究發(fā)現(xiàn)白天嗜睡是與大動(dòng)脈腦卒中風(fēng)險(xiǎn)增加有明確的因果關(guān)系。之前有隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)或聯(lián)合飲用咖啡和茶與腦卒中的風(fēng)險(xiǎn)降低有關(guān)〔20〕。Wang等〔21〕的孟德?tīng)栯S機(jī)化研究發(fā)現(xiàn)了每天飲用一杯茶，可以降低小血管卒中風(fēng)險(xiǎn)，但與缺血性腦卒中及其他亞型無(wú)關(guān)。然而Qian等〔22〕利用兩樣本孟德?tīng)栯S機(jī)化卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)喝咖啡和缺血性腦卒中及其亞型之間存在明確的因果關(guān)系。此外， Karhunen等〔23〕還發(fā)現(xiàn)了吸煙和失眠的遺傳易感性與顱內(nèi)動(dòng)脈瘤和動(dòng)脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血的風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。這些研究明確和排除了多種生活方式因素與腦卒中之間的因果關(guān)系，這可能提示了對(duì)腦卒中進(jìn)行一級(jí)預(yù)防的日常行為方式。

2.2循環(huán)脂質(zhì)代謝和腦卒中 循環(huán)脂質(zhì)代謝物與腦卒中之間的關(guān)系一直是研究的熱點(diǎn)，F(xiàn)atumo等〔24〕利用非洲個(gè)體脂質(zhì)循環(huán)的遺傳特征、英國(guó)生物銀行和百萬(wàn)退伍軍人計(jì)劃的薈萃分析，進(jìn)行了循環(huán)脂質(zhì)代謝物和腦卒中的孟德?tīng)栯S機(jī)化研究，研究發(fā)現(xiàn)較高遺傳性的低密度脂蛋白膽固醇、總膽固醇和較低遺傳性的高密度脂蛋白膽固醇與非洲遺傳個(gè)體的缺血性腦卒中風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，在歐洲個(gè)體進(jìn)行分析時(shí)，也得到了類似的結(jié)果，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的群體差異。然而，在Yuan等〔25〕關(guān)于循環(huán)脂質(zhì)和缺血性腦卒中的研究中卻發(fā)現(xiàn)，在使用單變量孟德?tīng)栯S機(jī)化研究時(shí)，載脂蛋白B、低密度脂蛋白膽固醇和三酰甘油水平升高與缺血性腦卒中及其亞型的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，但在進(jìn)行多變量孟德?tīng)栯S機(jī)化研究時(shí)，載脂蛋白B保留了與缺血性腦卒中穩(wěn)健的因果關(guān)系，但是低密度脂蛋白膽固醇卻在矯正載脂蛋白B和三酰甘油的影響后卻顯示出可能降低缺血性腦卒中的患病風(fēng)險(xiǎn)；在載脂蛋白A-I和高密度脂蛋白膽固醇的單變量分析中均表現(xiàn)出與缺血性腦卒中和其亞型的負(fù)相關(guān)性，但在相互調(diào)整后，便失去了與缺血性腦卒中的因果關(guān)系。此外，有臨床試驗(yàn)和觀察性研究指出，低密度脂蛋白膽固醇水平可能與腦出血風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)〔26～28〕，F(xiàn)alcone等〔29〕和Acosta等〔30〕的孟德?tīng)栯S機(jī)化研究分別表明了基因升高的低密度脂蛋白膽固醇水平與腦出血和蛛網(wǎng)膜下腔出血的風(fēng)險(xiǎn)降低有關(guān)。

2.3非脂質(zhì)循環(huán)物和腦卒中 目前，B族維生素治療降低血液中總同型半胱氨酸水平以預(yù)防腦卒中的臨床試驗(yàn)尚無(wú)明確的結(jié)論，Yuan等〔31〕利用兩樣本孟德?tīng)栯S機(jī)化研究發(fā)現(xiàn)遺傳預(yù)測(cè)的總同型半胱氨酸水平的升高與缺血性腦卒中和蛛網(wǎng)膜下腔出血的風(fēng)險(xiǎn)增高有關(guān)，基因預(yù)測(cè)的維生素B6水平升高和缺血性腦卒中的風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)，而維生素B12與腦卒中無(wú)相關(guān)性。高濃度的血清膽紅素一直被認(rèn)為是有毒的，而輕中度升高的膽紅素可作為一種有效的內(nèi)源性抗氧化劑，可對(duì)抗腦卒中病情發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的氧化應(yīng)激，Choi等〔32〕利用韓國(guó)的生物數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取了高達(dá)1 784個(gè)與血清膽紅素水平高度相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性作為工具變量，研究發(fā)現(xiàn)在韓國(guó)人群中，高膽紅素與腦卒中風(fēng)險(xiǎn)降低之間存在因果關(guān)系。此外,血清鎂濃度與調(diào)節(jié)血壓和血管內(nèi)皮的功能有關(guān)〔33,34〕，Larsson等〔35〕僅利用6個(gè)與血清鎂濃度高度相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性，明確了較高的血清鎂濃度可以降低顱內(nèi)動(dòng)脈瘤和動(dòng)脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4病理狀況和腦卒中 孟德?tīng)栯S機(jī)化在腦卒中病因的探索中，還確定和排除了一些病理狀況和腦卒中的因果關(guān)系。例如，2型糖尿病會(huì)引起各種微血管和大血管變化，最終導(dǎo)致的主要臨床并發(fā)癥之一便是腦卒中〔36〕，Larsson等〔37〕利用孟德?tīng)栯S機(jī)化研究確定了2型糖尿病和大動(dòng)脈腦卒中之間的因果關(guān)系；神經(jīng)質(zhì)描述了一種焦慮、抑郁和其他負(fù)面情緒的傾向，Liu等〔38〕利用孟德?tīng)栯S機(jī)化研究確定了神經(jīng)質(zhì)會(huì)增加缺血性腦卒中的風(fēng)險(xiǎn)；非酒精性脂肪肝會(huì)導(dǎo)致葡萄糖和脂蛋白代謝受到干擾、氧化應(yīng)激增加和血液高凝狀態(tài)而增加腦卒中風(fēng)險(xiǎn)，Wu等〔39〕的孟德?tīng)栯S機(jī)化研究并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它與缺血性腦卒中之間存在因果關(guān)系，而是與其亞型(大動(dòng)脈粥樣硬化和小血管閉塞)之間存在明確的因果關(guān)系；之前有觀察性研究發(fā)現(xiàn)偏頭痛患者的腦卒中風(fēng)險(xiǎn)增加〔40〕，而Shu等〔41〕的孟德?tīng)栯S機(jī)化研究否認(rèn)了偏頭痛和腦卒中之間存在因果關(guān)系,作者認(rèn)為可能是由于腦血管腦卒中引發(fā)的偏頭痛樣發(fā)作與偏頭痛之間的混淆，導(dǎo)致了之前誤以為偏頭痛與腦卒中之間存在關(guān)聯(lián)。

3 孟德?tīng)栯S機(jī)化研究的局限性

孟德?tīng)栯S機(jī)化在進(jìn)行因果關(guān)系的論證過(guò)程中也存在著一些局限性。①孟德?tīng)栯S機(jī)化的研究結(jié)論可能因?yàn)楸┞逗徒Y(jié)果的全基因組關(guān)聯(lián)研究人群的不匹配而導(dǎo)致假陰性或者假陽(yáng)性的結(jié)果，隨著未來(lái)各大數(shù)據(jù)庫(kù)變得更大更多樣化時(shí)，這將是一個(gè)更令人擔(dān)憂的問(wèn)題；②孟德?tīng)栯S機(jī)化經(jīng)常推測(cè)的是長(zhǎng)時(shí)間暴露對(duì)結(jié)局的影響，但是單核苷酸多態(tài)性的信息是由一個(gè)或一組個(gè)體在某一時(shí)刻被獲取的，這意味著所獲取的遺傳變異信息可能與個(gè)體長(zhǎng)時(shí)間的暴露信息存在差異；③遺傳變異不可避免的存在多效性問(wèn)題，很難證明遺傳變異只是通過(guò)暴露來(lái)影響結(jié)局，所以在研究過(guò)程中需要應(yīng)用不同的孟德?tīng)栯S機(jī)化研究方法檢驗(yàn)多效性問(wèn)題，盡量去減少多效性對(duì)研究結(jié)論引起的偏差〔42〕。

綜上，孟德?tīng)栯S機(jī)化是一個(gè)非常強(qiáng)大的流行病學(xué)研究方法，隨著大數(shù)據(jù)和基因技術(shù)的發(fā)展，在眾多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。在腦卒中病因探索過(guò)程中，它能解決之前限制腦卒中風(fēng)險(xiǎn)因素研究的混雜因素，可以更加清楚地認(rèn)識(shí)腦卒中及其高危因素之間的因果關(guān)系。例如單變量因素和多變量因素孟德?tīng)栯S機(jī)化研究的對(duì)比分析可對(duì)脂質(zhì)循環(huán)物和腦卒中之間因果關(guān)系的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。希望在今后的關(guān)于腦卒中的孟德?tīng)栯S機(jī)化分析中可以有更多的中介變量分析，探究風(fēng)險(xiǎn)因素和腦卒中之間可能存在的中介效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)更多的風(fēng)險(xiǎn)因素和腦卒中之間可能存在的作用機(jī)制。

盡管孟德?tīng)栯S機(jī)化研究存在一些局限性，但是在今天及可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，隨著數(shù)據(jù)生成成本的不斷降低及孟德?tīng)栯S機(jī)化分析方法的不斷完善，它未來(lái)將成為一種更為主流的流行病學(xué)研究方法在腦卒中和其他疾病的研究中發(fā)揮更多更強(qiáng)大的作用。