肌肉質(zhì)量增加可能導(dǎo)致椎間盤退變：一項(xiàng)兩樣本孟德?tīng)栯S機(jī)化研究

蘇 超，田彧瀟，張 清，萬(wàn)田豪，夏 迪

1北京中醫(yī)藥大學(xué)，北京 100105；2中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院望京醫(yī)院脊柱二科，北京 100102；3山東中醫(yī)藥大學(xué)，山東 濟(jì)南200355

據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家腰痛是導(dǎo)致殘疾的前三大原因之一［1］。腰痛的真正原因仍有待考究，然而，其與椎間盤退變的相關(guān)性已被證實(shí)［2,3］。椎間盤由纖維環(huán)、過(guò)渡帶、髓核和軟骨終板組成，連接椎體，保護(hù)脊髓，并為神經(jīng)提供空間。椎間盤退變（IVDD）是指髓核滲透壓?jiǎn)适В偷鞍拙厶呛肯陆?，椎間盤高度降低，最終導(dǎo)致椎間盤破裂［4］。IVDD嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，并對(duì)人口迅速老齡化的國(guó)家（如中國(guó)）構(gòu)成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)［5,6］。IVDD是一種衰老過(guò)程，可能與遺傳、生物力學(xué)和創(chuàng)傷有關(guān)［7］，但其病因和病理生理尚未完全確定。

肌肉減少癥（SP）是指與年齡相關(guān)的骨骼肌質(zhì)量、力量和功能的系統(tǒng)性下降［8,9］。目前估計(jì)全球患病率為10%，由于人口老齡化，患者人數(shù)將在未來(lái)幾十年將急劇上升［10］，研究估計(jì)到2050年SP的患病人數(shù)將達(dá)到5億［11］。在人體健康方面，SP增加跌倒和骨折的風(fēng)險(xiǎn)［12,13］，引起運(yùn)動(dòng)障礙［14］，與心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病和認(rèn)知障礙相關(guān)［15-17］，這些癥狀和風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重降低了患者的生活質(zhì)量，并給家庭和社會(huì)帶來(lái)了更大的負(fù)擔(dān)［18］。過(guò)去的研究更多關(guān)注SP與退行性脊柱疾病的關(guān)系。例如，SP不僅與椎體骨折和脊柱側(cè)彎［19］密切相關(guān)，而且還會(huì)增加胸腰椎手術(shù)后的住院時(shí)間、并發(fā)癥和死亡率［20］。然而，尚沒(méi)有研究專門解決SP和IVDD之間的聯(lián)系。

孟德?tīng)栯S機(jī)化（MR）是使用單核苷酸多態(tài)性（SNP）作為工具變量進(jìn)行因果推理的強(qiáng)大工具。由于配子的形成遵循孟德?tīng)柖桑改傅倪z傳基因被隨機(jī)分配給后代。因此，基因型很可能獨(dú)立于潛在混雜因素（如環(huán)境因素），也不會(huì)因疾病發(fā)生而改變［21］。本研究進(jìn)行了MR分析，以研究SP對(duì)IVDD的因果效應(yīng)，并通過(guò)該研究揭示肌肉和椎間盤退變之間的關(guān)系。

1 資料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先MR需要滿足3個(gè)假設(shè)：遺傳變異與工具變量強(qiáng)相關(guān)；遺傳工具與混雜因素?zé)o關(guān)；遺傳工具只可能通過(guò)暴露影響結(jié)果。然后進(jìn)行樣本的MR分析，評(píng)估SP對(duì)于IVDD的影響。暴露和結(jié)果的遺傳工具都是從獨(dú)立的GWAS數(shù)據(jù)中提取的。研究設(shè)計(jì)概述見(jiàn)圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

肌肉瘦體質(zhì)量(ALM)、小腿圍、步行速度、握力等是評(píng)估SP的重要指標(biāo)［22］。因此在本實(shí)驗(yàn)中，采用ALM和握力代表SP作為暴露因素。ALM和握力的全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）數(shù)據(jù)庫(kù)均來(lái)自于英國(guó)生物銀行，簡(jiǎn)而言之，ALM通過(guò)450 243名參與者的游離質(zhì)量總和來(lái)量化，并根據(jù)闌尾脂肪質(zhì)量、年齡、年齡2和其他協(xié)變量進(jìn)行調(diào)整，握力通過(guò)使用Jamar測(cè)力計(jì)收集握力數(shù)據(jù)（n=335 842），這是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且廣泛使用的測(cè)量握力的方法［23,24］。

椎間盤退變的GWAS數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源于芬蘭數(shù)據(jù)庫(kù)FinnGen consortium R7。FinnGen 旨在收集和分析500 000名來(lái)自芬蘭生物樣本庫(kù)參與者的基因組和健康數(shù)據(jù)。其中椎間盤退變病例數(shù)有29 508 例，對(duì)照組248 831例。為證明結(jié)果的可重復(fù)性，我們對(duì)另一來(lái)自MRC-IEU的椎間盤疾病數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了分析。暴露和結(jié)局來(lái)自于不同的數(shù)據(jù)庫(kù)避免了樣本重疊的可能性，樣本重疊率越高，其產(chǎn)生的偏倚就越大。

1.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)MR的第一個(gè)假設(shè)，選擇與暴露顯著相關(guān)的SNPs作為工具變量（P＜5×10-8），并且去除了SNPs之間的連鎖不平衡（r2=0.001，kb=10000）。然后根據(jù)公式F=（N-K-1/K)(R2/1-R2)計(jì)算出F 值來(lái)評(píng)估若工具變量偏倚，其中N是樣本量，K是IV的數(shù)量，R2是IV解釋的暴露變異性的比例。最后我們保守的去除了與久坐、吸煙兩個(gè)混雜因素相關(guān)的SNPs，得到了最后用來(lái)分析的IVs（表1）。

表1 MR分析部分SNPs信息表Tab.1 Information of the selected SNPs analyzed by MR

使用執(zhí)行逆方差加權(quán)方法（IVW）、加權(quán)中位數(shù)法（WM）和MR-egger法作為評(píng)估SP和IVDD因果關(guān)系的統(tǒng)計(jì)方法，IVW作為主要的分析方法，發(fā)現(xiàn)存在顯著異質(zhì)性時(shí)，使用隨機(jī)效應(yīng)模型，反之使用固定效應(yīng)模型。當(dāng)分析中高達(dá)50%的權(quán)重來(lái)自無(wú)效工具變量時(shí)，WM可以提供一致的估計(jì)值［25］。MR-Egger方法可以識(shí)別和糾正潛在的多效性（截距P＜0.05），并給出一致的估計(jì)值［26］。之后，使用MR-PRESSO測(cè)試多效性并檢測(cè)去除離群值再次進(jìn)行MR分析?？紤]到SP和IVDD相關(guān)性狀的多重檢驗(yàn)，通過(guò)采用保守的方法調(diào)整P值（P=0.05/4=0.0125）。為測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)健性，進(jìn)行了幾次敏感性分析。通過(guò)Cochran's Q統(tǒng)計(jì)量評(píng)價(jià)IVs間的異質(zhì)性。采用MR多效性測(cè)試進(jìn)行MR Egger，并返回截距值以評(píng)估水平多效性。采用留一分析方法檢查是否整體估計(jì)是不成比例的受到特定SNPs的影響。

通過(guò)檢索中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)、維普數(shù)據(jù)庫(kù)、PubMed、Web of Science等數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有研究證明近視與SP、IVDD存在相關(guān)聯(lián)系，因此近視作為陰性對(duì)照結(jié)果進(jìn)行分析。所有的MR檢驗(yàn)均使用R統(tǒng)計(jì)軟件（版本4.1.2）中的R 包“TwosampleMR”和“MRpresso”進(jìn)行。

2 結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，與ALM、左右手握力相關(guān)工具變量的F統(tǒng)計(jì)值均大于10，顯示所選擇的IVs足夠強(qiáng)大以消除存在的偏倚。將上述暴露分別與IVDD進(jìn)行MR分析，分別有570、97、79 個(gè)適當(dāng)SNP 組成。結(jié)果顯示ALM 和IVDD 呈明顯的正相關(guān)[IVW：OR=1.139，95%CI=（1.076，1.204），P=6.619e-6]；與右手握力可能存在正相關(guān)關(guān)系（表2）。所有的異質(zhì)性檢測(cè)發(fā)現(xiàn)P均＜0.05，所以IVW使用的是固定效應(yīng)模型。結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在水平多效性。MR-PRESO檢測(cè)顯示，ALM、左右手握力存在部分離群值，去除后再次進(jìn)行MR得到的結(jié)果與之前保持一致。散點(diǎn)圖顯示，遺傳預(yù)測(cè)的ALM對(duì)IVDD風(fēng)險(xiǎn)分析所得到的回歸線基本一致（圖2）。

表2 肌肉減少癥與椎間盤退變相關(guān)特征的孟德?tīng)栯S機(jī)化估計(jì)Tab.2 MR estimates of the characteristics associated with SP and IVDD

為驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇另一椎間盤退變的GWAS數(shù)據(jù)庫(kù)再次與ALM和左右手握力進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，ALM和IVDD存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[IVW：OR=1.001，95%CI=（1.000，1.001），P=0.004，表3]，與左右手握力沒(méi)有因果關(guān)系。

表3 肌肉減少癥與椎間盤退變(MRC-IEU）相關(guān)特征的孟德?tīng)栯S機(jī)化估計(jì)Tab.3 MR estimates of the characteristics associated with SP and IVDD(MRC-IEU)

陰性對(duì)照分析結(jié)果顯示，ALM、左右手握力和椎間盤疾病均與近視無(wú)關(guān)，因此選擇的IVs是合適的。

3 討論

孟德?tīng)栯S機(jī)化的優(yōu)勢(shì)在于，由于人類的染色體在出生前便已確定，SNP 中等位基因遵循隨機(jī)分配原則，不受環(huán)境影響，相較于隊(duì)列研究等觀察性研究，能夠有效減少偏倚，幫助確定暴露與結(jié)局之間的因果效應(yīng)［27］。與我們最初猜想相反，即SP會(huì)增加IVDD的風(fēng)險(xiǎn)，MR分析結(jié)果顯示，IVDD和ALM存在顯著正相關(guān)關(guān)系，可能與右手握力存在正相關(guān)關(guān)系，均提示肌肉質(zhì)量或功能的提升會(huì)增大IVDD的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)于肌肉和IVDD的關(guān)系目前仍存在爭(zhēng)議。研究表明，由骨骼肌纖維組成的軀干和椎旁肌肉對(duì)脊柱的穩(wěn)定和支撐起著至關(guān)重要的作用［28,29］。有研究發(fā)現(xiàn)，T10-L5椎旁肌的骨骼肌面積（SMA）、指數(shù)（SMI）和平均衰減（SMRA）可以作為評(píng)估SP的有效指標(biāo)［30］，因此用椎旁肌的狀態(tài)來(lái)評(píng)估全身肌肉質(zhì)量是合適的。無(wú)論是通過(guò)有限元發(fā)現(xiàn)，椎旁肌肉力量的喪失可能會(huì)增加下腰椎椎間盤、脊柱后部和椎體的壓力，還是研究表明SP與脊柱-骨盆矢狀面不平衡有關(guān)，矢狀面不平衡加速椎間盤突出［31,32］，都證明了肌肉減少會(huì)促進(jìn)椎間盤退變。然而，一些研究從臨床觀察、動(dòng)物試驗(yàn)等角度發(fā)現(xiàn)椎間盤退變和肌肉萎縮或破裂并沒(méi)有相關(guān)性［33-35］。尤其是有研究通過(guò)分析腰椎術(shù)后椎間盤突出復(fù)發(fā)的病人在磁共振圖像上L2-L3、L3-L4和L4-L5椎間盤水平的橫截面積（CSA）、瘦肌肉質(zhì)量（LMM）和骨骼肌指數(shù)（SMI），以代表肌肉質(zhì)量［36］，與本研究產(chǎn)生了一致的結(jié)論，即較大的肌肉質(zhì)量是IVDD的危險(xiǎn)因素。

根據(jù)肌肉的生理特性，出生后肌肉的生長(zhǎng)主要通過(guò)肥厚發(fā)生，而運(yùn)動(dòng)通常會(huì)導(dǎo)致肌肉質(zhì)量的增加，可能表現(xiàn)為橫截面積的增加或延長(zhǎng)，或兩者兼而有之［37］。如果老年人進(jìn)行漸進(jìn)式阻力訓(xùn)練會(huì)導(dǎo)致肌肉肥大和力量增加［38］。因此，處于長(zhǎng)期繁重勞動(dòng)的人在增加IVDD風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)伴隨著肌肉質(zhì)量的增加。同時(shí)，有綜述研究表明腰大肌作為髖屈肌，幫助脊柱向前彎曲［39］。但其會(huì)對(duì)腰椎施加較大的壓縮力和剪切力。有研究報(bào)告腰椎屈曲時(shí)椎間盤壓力最高［33］，綜合生物力學(xué)考慮，較大的腰大肌質(zhì)量會(huì)對(duì)椎間盤施加大的壓縮力，提高盤內(nèi)壓力最終導(dǎo)致椎間盤退變。

研究認(rèn)為SP與椎間盤退變、椎體骨折和脊柱側(cè)彎密切相關(guān)［19］，與我們的分析結(jié)果一致的研究少之又少。但MR中遺傳變異作為暴露因素是長(zhǎng)期穩(wěn)定并可以直接測(cè)量的，排除了社會(huì)環(huán)境、生活方式等混雜因素的干擾［40］，不涉及倫理道德方面的問(wèn)題，且研究經(jīng)過(guò)了兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的雙重驗(yàn)證，我們相信結(jié)果是可靠的。筆者借助MR開(kāi)展了對(duì)SP和IVDD因果關(guān)系的研究，雖然得出的結(jié)論與既往研究不符，但仍能為現(xiàn)實(shí)提供一定參考。一方面，因肌肉質(zhì)量的下降會(huì)增加自身帶來(lái)的椎間盤壓力及脊柱不穩(wěn)定，我們不否認(rèn)肌肉減少會(huì)增加椎間盤退變的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，伴隨著肌肉增加的體力勞動(dòng)和頻繁彎曲扭轉(zhuǎn)活動(dòng)會(huì)增加額外椎間盤壓力，因此對(duì)該領(lǐng)域仍需進(jìn)一步研究。另外本研究也存在不足之處：本研究的人群樣本為歐洲人群，并不能確定在別的種群中研究結(jié)果保持一致；研究篩選的SNP數(shù)量較多，雖然在本研究的支持下保守地剔除了兩個(gè)混雜因素，但仍可能存在其他未剔除的混雜因素；IVDD和SP之間的因果關(guān)系僅得到了部分驗(yàn)證，需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量或隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

綜上所述，本研究探索了SP和IVDD的因果關(guān)系，研究結(jié)果提示肌肉質(zhì)量和IVDD之間可能存在正相關(guān)關(guān)系，但需要進(jìn)一步的研究來(lái)證實(shí)。在診療過(guò)程中應(yīng)注意預(yù)防大肌肉量患者IVDD發(fā)生的可能，并根據(jù)患者的不同情況給予不同的功能鍛煉方案，以免加重患者的癥狀。