慢性阻塞性肺疾病、肺结核、哮喘与血浆代谢物之间的因果关联：一项双向孟德尔随机化研究

《Respiratory Medicine》：Causal Associations Between Chronic Obstructive Pulmonary Disease, Pulmonary Tuberculosis, Asthma, and Plasma Metabolites: A Bidirectional Mendelian Randomization Study

本研究采用双样本孟德尔随机化分析，系统探讨1,400种血浆代谢物与COPD、PTB及哮喘的因果关联，发现27种代谢物显著相关，包括O-cresol硫酸盐（哮喘风险↑）、α-酮戊二酸（哮喘风险↓）、3-羟基-2-甲基吡啶硫酸盐（COPD风险↑）、16α-羟基-DHEA-3-硫酸盐（COPD/PTB保护）及N-甲基羟脯氨酸（PTB风险↑），敏感性分析确认无偏倚，为临床提供生物标志物依据。

　　

张敏|刘海涛|曹伟军|范丽红

上海同济大学医学院上海第十人民医院呼吸内科，中国上海200072

摘要

背景

流行病学证据已经明确了循环代谢物与呼吸系统病理之间的关联，但其根本的因果机制仍不清楚。

方法

我们使用全基因组关联研究（GWAS）数据，进行了系统的双样本孟德尔随机化分析，以探讨1,400种血浆代谢物与三种主要呼吸系统疾病（慢性阻塞性肺疾病（COPD）、肺结核（PTB）和哮喘）之间的因果关系。主要方法是逆方差加权（IVW）回归，辅以MR-Egger检验和加权中位数分析。我们还使用了Cochrane's Q检验、MR-Egger回归、孟德尔随机化多效性残差和异常值（MR-PRESSO）检验以及留一法进行了严格的敏感性分析。

结果

27种血浆代谢物与这三种疾病显示出显著的因果关联。值得注意的是，O-甲酚硫酸盐的水平在成人和儿童中都与哮喘风险增加相关。相比之下，α-酮戊二酸的水平升高与哮喘风险降低有关；O-甲酚硫酸盐增加了哮喘风险，而α-酮戊二酸则降低了哮喘风险；3-羟基-2-甲基吡啶硫酸盐增加了COPD的风险，16α-羟基-DHEA-3-硫酸盐对COPD和PTB具有保护作用，而N-甲基羟基脯氨酸则增加了PTB的风险。敏感性分析确认没有因工具变量弱、水平多效性或反向因果关系导致的偏差。

结论：我们的研究提供了强有力的证据，支持27种血浆代谢物与呼吸系统疾病风险之间的因果关联。这些代谢物及其相关的代谢途径可能作为临床可操作的生物标志物，用于疾病筛查和预防。

引言

慢性呼吸系统疾病（CRDs）被世界卫生组织列为四大主要慢性疾病之一¹。尽管可靠的全基因组关联研究（GWAS）已经确定了不同类型慢性疾病的遗传易感变异^{2, 3, 4, 5}，并识别出可能导致CRDs的多种因素，但呼吸系统疾病风险与病因之间的复杂关系仍然难以理解。不同因素之间的相互作用使得推断这些因素与呼吸系统疾病风险之间的潜在因果关系变得更加困难。

流行病学研究越来越多地表明，CRDs受到多种宏观因素的影响，包括年龄、教育水平、职业、体重指数（BMI）和吸烟状况。在分子水平上，越来越多的证据表明CRDs与循环代谢物之间存在显著关联——这些代谢物是生物来源的小分子化合物，包括碳水化合物、核苷酸、有机酸、酮类、肽类、氨基酸和无机化合物。这些代谢物在分子病理学研究和疾病预测模型中起着关键作用。例如，肠道-肺部轴产生多种微生物衍生的代谢物，它们在营养代谢和免疫调节中发挥双重作用，从而调节炎症反应。这些代谢物在胃肠道吸收后进入全身循环，产生全身生理效应。这一轴代表了宿主-微生物组之间的复杂相互作用，其中肠道微生物群通过厌氧发酵代谢膳食纤维（如抗性淀粉、果胶和纤维素），生成直接影响肺部免疫和慢性炎症途径的生物活性化合物⁶。新兴研究发现了106种代谢物的独特代谢特征，这些代谢物与空气污染指数相关，揭示了一种新的代谢谱型，可以共同反映对多种空气污染物的系统反应，并预测慢性阻塞性肺疾病（COPD）的风险⁷。Correnti等人开发了一个强大的诊断模型，利用多胺、6-羟基喹啉酸和D-鼠李糖，以及甘油磷脂代谢、氨基酸/生物素途径和能量代谢的关键变化，准确区分哮喘和COPD⁸。Liu等人的机制研究表明，新蝶呤（一种鸟苷三磷酸代谢物）通过增加内皮细胞的氧化应激，诱导慢性气道疾病中的内皮功能障碍，为CRDs的管理提供了新的治疗靶点⁹。此外，整合转录组学和代谢组学分析表明，褪黑素通过恢复脂多糖破坏的丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，减轻坏死性凋亡，表明这种松果体衍生的代谢物对COPD相关的慢性炎症具有治疗潜力¹⁰。进一步的研究发现，结核分枝杆菌分泌的毒力因子PtpB（Rv0153c）特异性地靶向宿主细胞膜磷脂磷脂酰肌醇-4-单磷酸（PI4P）和磷脂酰肌醇-(4,5)-二磷酸[PI(4,5)P2]。这种相互作用抑制了gasdermin D（GSDMD-N）N端切割片段的膜定位，从而抑制了GSDMD介导的坏死性凋亡，并损害了结核感染中的先天免疫反应¹¹。相反，Pagán等人证明，代谢调节因子mTOR激酶在结核分枝杆菌感染的早期阶段是宿主抵抗的关键因素¹²。Chen等人发现，血浆代谢物苯丙氨酸可以通过描述LC和PTB的代谢组谱型来区分这两种疾病，这是一种快速且无创的方法¹³。最新研究发现，结核病患者中的色氨酸和视黄醇水平显著降低，这可能作为诊断结核病的标志物¹⁴。在哮喘方面，对40种代谢物的分层聚类发现了代谢亚组，发现全身代谢谱型与轻度气道炎症和结构重塑相关，循环代谢物与气道病理生理学相互作用¹⁵。此外，临床研究通过分层聚类和层次分析表明，腺苷和组胺在轻度和重度哮喘中显著上调，而5-甲氧基色氨酸（5-MTX）显著下调。这些代谢物可能为儿童哮喘疾病的严重程度提供潜在的生物标志物¹⁶。

这些发现强调了全面表征与CRDs发病机制相关的代谢物的必要性，以改进早期检测和预防策略。此类研究还可能揭示CRDs进展背后的基本生物学机制，从而可能开发出针对性的治疗方法。然而，当前的研究受到其有限的代谢覆盖范围和传统流行病学设计固有偏差的限制。

遗传因素已被证明显著影响循环代谢物的水平¹⁷。一项涉及19,994名欧洲血统个体的大规模研究，通过基因分型和非靶向血浆代谢组学分析，发现了2,599个具有全基因组显著性的基因组-代谢物关联¹⁸。血浆代谢物与CRDs之间存在共同的遗传决定因素，这为使用孟德尔随机化（MR）方法提供了强有力的依据。这种强大的流行病学方法利用遗传变异作为工具变量来推断因果关系，同时最小化混杂因素，提供了关于遗传变异如何影响疾病发病机制的独特见解。基于孟德尔遗传原理的MR分析，能够在代谢暴露和临床结果之间进行稳健的因果推断¹⁹。

目前关于CRDs的研究主要集中在有限的代谢物集合上，这在很大程度上是由于非靶向代谢组学方法的实施有限。此外，大多数这些研究没有充分利用最新的关于代谢物和CRDs的GWAS数据。这将导致使用较弱的遗传工具和对变异代谢物与变异CRDs之间关联的效果大小估计不够精确。最重要的是，当前的研究没有明确指出CRDs与代谢物之间的因果关系，这限制了疾病的诊断和治疗。为了解决上述问题，我们系统地汇编了目前最全面的GWAS数据集，并进行了严格的双样本MR分析，以研究1,400种血浆代谢物与三种主要CRDs（COPD、哮喘和PTB）之间的潜在因果关系。为了确保我们的发现的有效性，我们实施了全面的双向敏感性分析，并采用了多种互补的分析方法。

研究设计

图1展示了全面的研究设计。我们采用了双向MR框架来研究1,400种血浆代谢物与CRDs风险之间的因果关系。所有代谢物均来自公开的高质量代谢组学GWAS数据集²⁰。在此分析中，循环代谢物浓度作为暴露因素，而不同呼吸系统疾病（COPD、PTB和哮喘）的风险作为结果。

工具变量（IVs）来自单核苷酸

代谢物与COPD之间的因果关系及敏感性分析

MR分析确定了33种血浆代谢物（来自1,091种代谢物和309种代谢物比值），这些代谢物与慢性阻塞性肺疾病存在潜在的因果关系（P_IVW< .05）（图2A，补充表S1）。其中包括9种未注释的代谢物和24种已知的代谢物，其中11种已知代谢物与COPD风险呈正相关（例如，3-羟基-2-甲基吡啶硫酸盐、戊二酸[C5-DC]），非癸酸（19:0）的水平，以及13种呈负相关

讨论

CRDs是一类由感染或过敏反应引起的持续性炎症疾病，是全球主要的公共卫生负担。尽管病因各异，但它们普遍具有慢性炎症驱动的气流受限和肺功能障碍。越来越多的证据表明，特定代谢物参与了疾病的发生；例如，肌醇通过抑制NF-κB和下调促炎因子来调节炎症反应

结论

MR分析揭示了几种代谢物与CRDs之间的密切因果关系。经过多次检验校正和双向孟德尔随机化分析后，未观察到代谢物与呼吸系统疾病之间的双向因果关联，排除了反向因果关系。3-羟基-2-甲基吡啶硫酸盐被认为是COPD的风险因素，而16α-羟基-DHEA-3-硫酸盐是COPD和PTB的共同保护因素。N-甲基羟基脯氨酸被认为是风险因素

作者贡献声明

范丽红：写作——审阅与编辑、监督、软件使用、研究实施、资金获取、概念构思。刘海涛：写作——审阅与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、正式分析。曹伟军：写作——审阅与编辑、验证、方法学研究、研究实施、概念构思。张敏：验证、方法学研究、数据管理

利益冲突

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。

伦理批准

本研究中使用的所有数据均来自公开的GWAS汇总统计。没有收集新的数据，因此不需要额外的伦理批准。

数据可用性

本研究中使用的所有产品都是公开可用的。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（52103094、81922030和82271882）和“一带一路”国际合作项目（编号20400750600）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明与本研究、作者身份和文章发表无关的潜在利益冲突。

致谢

作者衷心感谢参与原始GWAS的研究人员和参与者在收集和管理大量数据资源方面所付出的努力。