【摘 要】目的：采用兩樣本孟德爾隨機(jī)化（mendelian randomization，MR）方法探究哮喘和慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructivepulmonary disease，COPD）間是否存在因果關(guān)系。方法：從全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome-wide association studies，GWAS）匯總數(shù)據(jù)中篩選出與哮喘強(qiáng)相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）作為工具變量，采用逆方差加權(quán)法（inverse variance weighted，IVW）作為主要分析方法，MR-Egger法、加權(quán)中位數(shù)法、簡(jiǎn)單模型和加權(quán)模型作為輔助分析方法，以評(píng)價(jià)哮喘和COPD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)之間的因果關(guān)系，同時(shí)采用孟德爾隨機(jī)多態(tài)性殘差和離群值（mendelian randomization pleiotropy residualsum and outlier，MR-PRESSO）檢驗(yàn)檢測(cè)是否存在離群的SNP，MR-Egger截距測(cè)試、Cochran Q檢驗(yàn)評(píng)估工具變量的水平多效性和異質(zhì)性。結(jié)果：共納入61個(gè)SNP，IVW結(jié)果顯示，哮喘是COPD的危險(xiǎn)因素（OR=1.146，95%CI=1.023-1.283，P=0.020；OR=1.153，95%CI=1.003～1.326，P=0.045），其余4種輔助分析方法的結(jié)果與IVW方法顯示的結(jié)果一致，MR-PRESSO檢驗(yàn)、CochranQ檢驗(yàn)、MR-Egger截距測(cè)試以及留一法的結(jié)果均顯示了結(jié)果的穩(wěn)定性。結(jié)論：哮喘是COPD的危險(xiǎn)因素。

【關(guān)鍵詞】哮喘；慢性阻塞性肺疾病；孟德爾隨機(jī)化；全基因組關(guān)聯(lián)研究

【中圖分類號(hào)】R563 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【收稿日期】2024-01-01

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonarydisease，COPD）是一種對(duì)全球健康構(gòu)成重大威脅的慢性呼吸系統(tǒng)疾病，以其特征性的持續(xù)性氣流阻塞為標(biāo)志。全球疾病負(fù)擔(dān)研究顯示，2017年慢性呼吸系統(tǒng)疾病已成為世界上第三大死因，而COPD則是慢性呼吸道疾病的主要致死因素。中國(guó)40歲以上成年人COPD 患病率高達(dá)13.7%，這一高患病率和死亡率給社會(huì)帶來了巨大的公共衛(wèi)生負(fù)擔(dān)[1-2]。

COPD通常被認(rèn)為與吸煙、環(huán)境污染暴露等外在因素，以及肺部異常發(fā)育、遺傳等內(nèi)在因素有關(guān)，同時(shí)還受到抑郁癥、肥胖等疾病的影響[3-4]。此外，COPD在臨床表現(xiàn)方面主要表現(xiàn)為肺功能下降和喘息等癥狀，這些特點(diǎn)與哮喘存在很多相似之處，因此很難區(qū)分這2種疾病。實(shí)際上，COPD 和哮喘可以同時(shí)存在，形成哮喘和慢性阻塞性肺疾病重疊（asthma-chronic obstructive pulmonary disease overlap，ACO）。1項(xiàng)韓國(guó)隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)重哮喘患者中，出現(xiàn)ACO 的概率高達(dá)12.5%，ACO 患者肺功能更差，急性加重更頻繁[5]。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了哮喘和COPD之間可能存在某種關(guān)聯(lián)，還提示了減少二者合并出現(xiàn)的重要性。既往較多的研究集中在探討兒童哮喘與COPD 發(fā)生發(fā)展的潛在關(guān)系上[6-8]。當(dāng)然，也有部分研究發(fā)現(xiàn)具有哮喘病史的成人在晚年患COPD的可能性增加[9-10]。因此，進(jìn)一步明確二者之間的因果關(guān)系，有助于為COPD及合并癥患者提供更科學(xué)的臨床管理方案。

孟德爾隨機(jī)化（mendelian randomization，MR）是一種新興的臨床研究方法，其與隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)（randomizedcontrolled trial，RCT）有著相似的研究設(shè)計(jì)和目的，利用與暴露、結(jié)局相關(guān)的遺傳變異數(shù)據(jù)作為工具變量，通過遺傳變異的隨機(jī)分配來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)化處理，最終達(dá)到估算暴露因素和結(jié)局之間因果關(guān)系的目的[11]。另外，MR研究克服了RCT研究耗時(shí)耗力的問題，不涉及倫理規(guī)范，同時(shí)，相較于觀察性研究，這種獲得因果關(guān)系的方法能夠更好地控制混雜因素，具有更高的可靠性。因此，本課題組選取哮喘和COPD樣本，進(jìn)行MR分析，以明確哮喘是否對(duì)COPD的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生因果效應(yīng)。

1 資料與方法

1.1 研究設(shè)計(jì)

這項(xiàng)MR研究的設(shè)計(jì)思路見圖1。該方法基于3個(gè)核心假設(shè)：工具變量與暴露變量強(qiáng)相關(guān)；工具變量與混雜因素?zé)o關(guān)；工具變量不能直接影響結(jié)局，只能通過暴露變量與結(jié)局發(fā)生關(guān)聯(lián)[12]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

哮喘和COPD的遺傳工具變量分別來源于EBI數(shù)據(jù)庫和FinnGen數(shù)據(jù)庫，二者皆可通過https：//gwas.mrcieu.ac.uk/獲取，其中研究對(duì)象均為歐洲人。具體而言，暴露變量為哮喘，總樣本量為408 422例，其中包括56 167例哮喘患者和352 255 例對(duì)照。結(jié)局變量為COPD，主要選取早期COPD（患者發(fā)病年齡lt;65歲）和晚期COPD（患者發(fā)病年齡≥65歲）2個(gè)表型，其中早期COPD的病例組為3 508例，對(duì)照組為212197 例；晚期COPD 的病例組為3 087 例，對(duì)照組為212 197例，見表1。

1.3 工具變量的選擇

在工具變量的篩選過程中，首先按照Plt;0.001的標(biāo)準(zhǔn)篩選，然后通過去除連鎖不平衡（遺傳距離=10 000 kb、r2lt;0.001）篩選出80個(gè)單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）。接下來，使用PhenoScanner 數(shù)據(jù)庫（http：//www.phenoscanner.medschl.cam.ac.uk/）剔除與混雜因素相關(guān)的SNP。最后為了保證所選的SNP與COPD發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)具有強(qiáng)相關(guān)性，并避免弱工具變量產(chǎn)生偏倚，本課題組以F 統(tǒng)計(jì)量[F=R2×（N-2）（/ 1-R2）]gt;10為不存在弱工具變量偏倚。

1.4 孟德爾隨機(jī)化分析

采用R4.2.3中的“TwoSampleMR”包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在這項(xiàng)研究中，用逆方差加權(quán)法（inverse variance weighted，IVW）、MR-Egger、加權(quán)中位數(shù)法、簡(jiǎn)單模型和加權(quán)模型用于雙樣本孟德爾隨機(jī)化分析，以評(píng)估哮喘與COPD 的因果關(guān)系，其中以IVW方法的結(jié)果作為主要參考。另外，本課題組應(yīng)用Cochran Q檢驗(yàn)評(píng)估工具變量的異質(zhì)性，MR-Egger截距評(píng)估水平多效性，孟德爾隨機(jī)多態(tài)性殘差和離群值（mende‐lian randomization pleiotropy residual sum and outlier，MRPRESSO）檢驗(yàn)評(píng)估是否存在潛在的離群值，最后，通過留一法通過每次去除單個(gè)SNP來評(píng)估該遺傳變異對(duì)整體因果效應(yīng)的影響。

2 結(jié) 果

2.1 工具變量

本課題組根據(jù)條件篩選（Plt;0.001，r2lt;0.001，遺傳距離=10 000 kb）并剔除與混雜因素相關(guān)的SNP后，篩選出與哮喘相關(guān)的工具變量共61個(gè)，具體SNP信息見圖2。所有工具變量的F 統(tǒng)計(jì)值都大于10，這表明研究結(jié)果不受弱工具變量偏倚的影響。

2.2 孟德爾隨機(jī)化分析結(jié)果

IVW 結(jié)果提示，哮喘會(huì)增加COPD 的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)（OR=1.146，95%CI=1.023～1.283，P=0.020；OR=1.153，95%CI=1.003～1.326，P=0.045），此外，加權(quán)中位數(shù)法也得到了同樣的結(jié)果（OR=1.246，95%CI=1.051～1.467，P=0.011）。MR-Egger 回歸、簡(jiǎn)單模型和加權(quán)模型3種回歸模型Pgt;0.05，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但它們的β 值與IVW結(jié)果β 值符號(hào)方向一致，提示5種方法所得的因果效應(yīng)方向一致，從而支持了哮喘與COPD之間的因果關(guān)系。具體見表2、3、圖3。

2.3 敏感性分析

使用Cochran’s Q 檢驗(yàn)以檢測(cè)異質(zhì)性，結(jié)果顯示，IVW（P=0.598，P=0.067）和MR-Egger 回歸（P=0.564、P=0.057），工具變量間無明顯異質(zhì)性（Pgt;0.05）。MR-Egger截距分別為-0.003，0.002（Pgt;0.05），表明工具變量不存在水平多效性。MR-PRESSO 結(jié)果進(jìn)一步確保了IVs 中無異常SNP（Pgt;0.05）。漏斗圖基本對(duì)稱，表明SNP 不存在異質(zhì)性。采用Leave-one-out法分析單個(gè)SNP對(duì)整體結(jié)果的影響，逐一去除SNP后，結(jié)果無明顯變化。以上表明結(jié)果具有顯著的可靠性。具體見圖4、圖5。

3 討 論

目前，針對(duì)哮喘和COPD關(guān)系的研究較多集中在ACO 的診斷與治療上，而ACO 的出現(xiàn)是否涉及二者相互轉(zhuǎn)化。另外，二者是否互相影響。本課題組從這些問題出發(fā)，利用2樣本MR方法研究了哮喘和COPD之間的因果關(guān)系。通過GWAS數(shù)據(jù)中的SNP作為工具變量，采用IVW進(jìn)行主要分析，從遺傳學(xué)的角度表明哮喘是COPD 的危險(xiǎn)因素。但在COPD對(duì)哮喘影響的反向MR研究中，未篩選到有意義的SNP，因此不能雙向評(píng)估COPD和哮喘之間的因果關(guān)系。

小氣道的表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣道，通常來說小氣道對(duì)總氣道阻力貢獻(xiàn)小，被稱為“沉默區(qū)”。近年來，小氣道被認(rèn)為是哮喘和COPD氣流阻塞的主要部位[13]。早期COPD患者往往僅有小氣道的阻塞，臨床癥狀不明顯，此時(shí)呼吸功能的改變不能被肺功能儀檢測(cè)到，而從小氣道阻塞緩慢發(fā)展到第1 秒用力呼氣量（forced expiratory volume in the firstsecond，F(xiàn)EV1）下降階段往往需要數(shù)十年[14]。這為兒童哮喘可能會(huì)增加成年早期COPD的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)提供了支持[15]。因?yàn)橄旧頃?huì)造成小氣道發(fā)生炎癥、充血水腫、平滑肌痙攣等病變，但是因?yàn)橄純阂鸬男獾啦∽儯赡芡枰獛资瓴拍苡绊懙酱髿獾?，表現(xiàn)出COPD的體征[16]。同樣地，在研究中發(fā)現(xiàn)，哮喘與早期COPD的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)。COPD的晚期階段通常是疾病最嚴(yán)重的時(shí)候，除了小氣道阻塞，大氣道的病變和肺部組織的顯著破壞可能導(dǎo)致患者呼吸困難等癥狀明顯加重[17]。而哮喘或許通過氣道炎癥和結(jié)構(gòu)改變等機(jī)制影響晚期COPD 的發(fā)展[18]。本研究也證實(shí)了，哮喘和晚期COPD之間存在因果關(guān)聯(lián)。

然而目前哮喘促進(jìn)COPD發(fā)生發(fā)展的具體機(jī)制仍不清楚，可能涉及氣道炎癥和氣道重塑。哮喘是一種反復(fù)發(fā)作性疾病，氣道高反應(yīng)性和氣道炎癥常持續(xù)存在于患者體內(nèi)，控制不佳的哮喘會(huì)伴隨炎癥反應(yīng)的過度發(fā)生，出現(xiàn)氣道黏液高分泌、氣道痙攣等系列病理變化，導(dǎo)致氣道重構(gòu)，進(jìn)行性地從可逆性氣流阻塞發(fā)展到氣道的永久性阻塞，而不可逆的氣流阻塞是COPD 的重要特點(diǎn)[19-20]。此外，免疫系統(tǒng)在哮喘和COPD的發(fā)病和發(fā)展中同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。既往研究發(fā)現(xiàn)，在哮喘中，上皮細(xì)胞間的緊密連接的破壞、上皮細(xì)胞脫落以及病原體的更深穿透，可觸發(fā)免疫細(xì)胞反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生[21]。這些免疫反應(yīng)可能導(dǎo)致氣道炎癥的持續(xù)存在和氣道收縮，為COPD的進(jìn)展創(chuàng)造了環(huán)境。多項(xiàng)研究表明，自身免疫在COPD的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[22]。Bu T等[23]研究發(fā)現(xiàn)，先天性免疫細(xì)胞可調(diào)節(jié)氣道炎癥、細(xì)菌定植以及氣道重塑，從而在COPD進(jìn)展期間導(dǎo)致進(jìn)行性氣流阻塞。不僅如此，有研究表明，肺部的CD8+ T 細(xì)胞產(chǎn)生的促炎介質(zhì)可能會(huì)促進(jìn)穩(wěn)定型COPD的發(fā)生發(fā)展[18，24]?？偟膩碚f，持續(xù)的氣道炎癥和免疫細(xì)胞的異?；顒?dòng)可能是哮喘促進(jìn)COPD發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制之一，進(jìn)一步深入研究將有助于更好地理解這2種肺部疾病之間的關(guān)聯(lián)，從而為未來的預(yù)防和治療提供更多科學(xué)依據(jù)。

這項(xiàng)研究與先前觀察性研究結(jié)果一致，但其使用公開GWAS數(shù)據(jù)，節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，減少了哮喘通過作用于混雜因素造成COPD發(fā)生的可能性，結(jié)果可靠性和穩(wěn)定性更強(qiáng)。然而，盡管本研究在疾病因果關(guān)系的探討上取得了重要進(jìn)展，但仍然存在一些局限性。首先，納入對(duì)象為歐洲人群，推斷的因果關(guān)系可能不適用于其他種族群體；再者，本研究采用的GWAS數(shù)據(jù)缺乏哮喘表型等具體信息，無法進(jìn)行亞組分析；最后，生物學(xué)機(jī)制的探討無法在這項(xiàng)研究中實(shí)現(xiàn)。

綜合而言，本MR設(shè)計(jì)為哮喘是COPD的危險(xiǎn)因素提供了證據(jù)支持。然而，哮喘通過何種機(jī)制增加COPD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的問題仍需要更深入地探索。期望未來研究聚焦在深入理解這些機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出新的治療和干預(yù)策略，以防止或減緩肺功能惡化。

參考文獻(xiàn)

[1] Collaborators GCRD． Prevalence and attributable health burden

of chronic respiratory diseases，1990-2017：a systematic analysis for the

Global Burden of Disease Study 2017[J]. Lancet Respir Med，2020，8

（6）：585-596．

[2] Wang C，Xu JY，Yang L，et al. Prevalence and risk factors of

chronic obstructive pulmonary disease in China（the China Pulmonary

Health[CPH]study）：a national cross-sectional study[J]. Lancet，2018，

391（10131）：1706-1717．

[3] Larsson SC，Burgess S. Causal role of high body mass index in multiple

chronic diseases：a systematic review and meta-analysis of Mendelian

randomization studies[J]. BMC Med，2021，19（1）：320．

[4] Cheng XX，Shi J，Zhang D，et al. Assessing the genetic relationship

between gastroesophageal reflux disease and chronic respiratory diseases：

a Mendelian randomization study[J]. BMC Pulm Med，2023，23

（1）：243．

[5] Joo H，Park SY，Park SY，et al. Phenotype of asthma-COPD overlap

in COPD and severe asthma cohorts[J]. J Korean Med Sci，2022，37

（30）：e236．

[6] Shirtcliffe P，Marsh S，Travers J，et al. Childhood asthma and

GOLD-defined chronic obstructive pulmonary disease[J]. Intern Med J，

2012，42（1）：83-88．

[7] Hayden LP，Hobbs BD，Cohen RT，et al. Childhood pneumonia increases

risk for chronic obstructive pulmonary disease：the COPDGene

study[J]. Respir Res，2015，16（1）：115．

[8] Deolmi M，Decarolis NM，Motta M，et al. Early origins of chronic

obstructive pulmonary disease：prenatal and early life risk factors[J]. Int

J Environ Res Public Health，2023，20（3）：2294．

[9] Asamoah-Boaheng M，Acheampong L，Tenkorang EY，et al. Association

between early history of asthma and COPD diagnosis in later life：

a systematic review and meta-analysis[J]. Int J Epidemiol，2018，47（6）：

1865-1876．

[10] Asamoah-Boaheng M，F(xiàn)arrell J，Bonsu KO，et al. Association between

medication adherence and risk of COPD in adult asthma patients：

a retrospective cohort study in Canada[J]. Clin Epidemiol，2022，14：

1241-1254．

[11] Davey Smith G，Hemani G. Mendelian randomization：genetic anchors

for causal inference in epidemiological studies[J]. Hum Mol

Genet，2014，23（R1）：89-98．

[12] VanderWeele TJ，Tchetgen Tchetgen EJ，Cornelis M，et al. Methodological

challenges in Mendelian randomization[J]. Epidemiology，

2014，25（3）：427-435．

[13] Braido F，Scichilone N，Lavorini F，et al. Manifesto on small airway

involvement and management in asthma and chronic obstructive

pulmonary disease：an Interasma（Global Asthma Association-GAA）

and World Allergy Organization（WAO） document endorsed by Allergic

Rhinitis and its Impact on Asthma（ARIA） and Global Allergy and

Asthma European Network（GA2LEN）[J]. World Allergy Organ J，2016，

9（1）：37．

[14] Hogg JC，Chu F，Utokaparch S，et al. The nature of small-airway

obstruction in chronic obstructive pulmonary disease[J]. N Engl J Med，

2004，350（26）：2645-2653．

[15] Ali KM. Childhood asthma as a risk factor for adult chronic obstructive

pulmonary disease：a systematic review and meta-analysis[J].

Expert Rev Respir Med，2020：1-7．

[16] Yang WC，Li FY，Li C，et al. Focus on early COPD：definition and

early lung development[J]. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis，2021，16：

3217-3228．

[17] Weingaertner V，Scheve C，Gerdes V，et al. Breathlessness，functional

status，distress，and palliative care needs over time in patients

with advanced chronic obstructive pulmonary disease or lung cancer：a

cohort study[J]. J Pain Symptom Manage，2014，48（4）：569-581.

[18] Barnes PJ. Cellular and molecular mechanisms of asthma and

COPD[J]. Clin Sci，2017，131（13）：1541-1558．

[19] Banno A，Reddy AT，Lakshmi SP，et al. Bidirectional interaction

of airway epithelial remodeling and inflammation in asthma[J]. Clin Sci，

2020，134（9）：1063-1079．

[20] Guo P，Li R，Piao TH，et al. Pathological mechanism and targeted

drugs of COPD[J]. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis，2022，17：1565-

1575．

[21] Raby KL，Michaeloudes C，Tonkin J，et al. Mechanisms of airway

epithelial injury and abnormal repair in asthma and COPD[J]. Front Immunol，

2023，14：1201658．

[22] Caramori G，Ruggeri P，Di Stefano A，et al. Autoimmunity and

COPD：clinical implications[J]. Chest，2018，153（6）：1424-1431．

[23] Bu T，Wang LF，Yin YQ. How do innate immune cells contribute

to airway remodeling in COPD progression？[J]. Int J Chron Obstruct Pulmon

Dis，2020，15：107-116．

[24] Caramori G，Casolari P，Barczyk A，et al. COPD immunopathology

[J]. Semin Immunopathol，2016，38（4）：497-515．

（責(zé)任編輯：曾 玲）