尿酸与心房颤动、冠心病和充血性心力衰竭因果关联的两样本孟德尔随机化研究

张卫娜 郑丽 刘德平

尿酸是人体核糖核酸嘌呤的代谢终产物。因人类缺乏尿酸氧化酶,血清尿酸浓度是其他哺乳动物的50倍。高血尿酸被认为与多种心血管疾病有关,如高血压、心力衰竭(简称“心衰”)、心房颤动(简称“房颤”)和冠心病等[1]。一项纳入31个观察性研究涉及504 958例人群的荟萃分析显示,高血尿酸与房颤的发生率有关[2]。多项研究报道,高尿酸血症不仅与冠心病的发生相关,还会增加冠心病患者的全因死亡率[3-4]。另一项荟萃分析也发现,高血尿酸与慢性心衰发生有关[5]。据推测,其病理机制可能与高血尿酸激活促炎细胞因子(如白细胞介素6、白细胞介素1和肿瘤坏死因子α等)引起炎症,导致心肌细胞发生变性、坏死、凋亡与纤维化有关。

但上述证据来自传统流行病学研究,其容易受混杂因素和反向结果等影响,导致因果关联不稳定。孟德尔随机化(Mendelian randomization,MR)分析能规避传统流行病学研究结果易受潜在混杂因素影响的弊端,从而使得到的因果关联更为可靠[6]。随着近年全基因组关联研究(genome-wide association study,GWAS)及生物大数据的快速发展,给使用MR分析探索复杂暴露因素与疾病结局间的因果关联提供了可能。本研究旨在利用MR分析方法评估尿酸与房颤、冠心病和充血性心衰间的因果关联,以为医患及科研工作者提供证据。

1 对象和方法

1.1 研究设计

本研究遵循MR分析的报告规范[7]。因使用已公开发表的数据进行分析,不需要伦理审查及患者的知情同意。为评估尿酸与房颤、冠心病和充血性心衰之间是否存在因果关联,分别进行3个两样本MR分析(图1)。研究中暴露因素是尿酸,疾病结局分别是房颤、冠心病和充血性心衰[8]。为缩小人群间的基因异质性,并增强MR结果在我国的可推广性(数据库中暂无国人的GWAS数据),本研究选取与国人相似的日本人群作为GWAS的样本人群。

SNP：单核苷酸多态性;A：选定的工具变量SNP与暴露因素强关联;B：工具变量SNP不能与疾病结局直接关联,只能通过暴露因素与疾病结局产生因果关联;C：工具变量SNP不能与暴露因素和疾病结局强相关的混杂因素存在关联图1 研究设计

1.2 GWAS数据来源

本研究GWAS数据来自GWAS汇总数据网(https：//gwas.mrcieu.ac.uk/),在该数据库检索框中分别输入“uric acid”“atrial fibrillation”“coronary artery disease”和“congestive heart failure”,以研究对象为东亚人及样本量、单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)数量最多作为优选条件。最终确定暴露因素血尿酸的GWAS由Kanai等[9](PMID：29403010)发表,3个结局相关的GWAS由Low等[10](PMID：28416822)发表。

1.3 工具变量的选择

以P<5×10-8为阈值从GWAS数据库中筛选与尿酸强关联的SNP作为工具变量。以r2=0.001和Clump distance>10 000 kb为阈值筛选不受连锁不平衡影响的相互独立的SNPs[11]。计算每个SNP的F统计量,若工具变量SNP的统计量小于10,为避免弱工具变量偏倚对MR结果的影响,该工具变量SNP将被排除。在PhenoScanner数据库(http：//www.phenoscanner.medschl.cam.ac.uk/)中逐个排查,以排除与尿酸和心血管疾病的混杂因素存在关联的工具变量SNPs。SNPs在亲子代的遗传中遵循孟德尔遗传定律,因此基本不受环境和后天生活的影响,即默认工具变量SNPs与环境、社会和文化等因素完全独立。

1.4 统计学方法

采用MR-Egger、加权中位法(weighted median)、逆方差加权法(inverse-variance weighted,IVW)、Simple mode和Weighted mode五种方法,以选定的SNPs作为工具变量评估尿酸与3种心血管疾病间的因果关联,以森林图呈现分析结果。此外,采用MR-PRESSO对离群值进行检测,若存在离群的SNPs则剔除并重新分析。采用MR-Egger进行截距检测,采用Cochran’sQ检验工具变量SNPs间的异质性,采用Leave-one-out进行敏感性检测。所有分析均在R和RStudio软件中运行TwoSampleMR包[12]进行,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 工具变量

筛出28个SNPs作为评估尿酸与房颤因果关联的工具变量(表1),35个SNPs作为评估尿酸与冠心病因果关联的工具变量(表2),37个SNPs作为评估尿酸与充血性心衰因果关联的工具变量(表3)。所有SNPs的F统计量均大于10：评估尿酸与房颤因果关联SNPs的F统计量中位值为17.63(范围：11.93～25.86),评估尿酸与冠心病因果关联SNPs的F统计量中位值为13.19(范围：11.72～21.54),评估尿酸与充血性心衰因果关联SNPs的F统计量中位值为14.08(范围：12.91～23.35)。

表1 评估尿酸与房颤因果关联的SNPs

表2 评估尿酸与冠心病因果关联的SNPs

表3 评估尿酸与充血性心衰因果关联的SNPs

2.2 MR分析结果

MR分析结果尿酸与房颤、冠心病和充血性心衰因果关联见图2,SNP与暴露和结局之间效应见图3。结果显示,尿酸与房颤之间的因果关联分析结果不具有统计学意义(IVW：OR=1.070,95%CI：0.909～1.260)。尿酸是冠心病的危险因素,MR-Egger计算出OR值为1.122(95%CI：1.021～1.233),Weighted median计算出OR值为1.173(95%CI：1.086～1.268),IVW计算出OR值为1.221(95%CI：1.155～1.291),Simple mode计算出OR值为1.202(95%CI：1.062～1.360),Weighted mode计算出OR值为1.170(95%CI：1.084～1.263),均为P<0.05。其中,IVW分析结果表明,尿酸每增加1个单位,冠心病发生风险将升高22.1%。IVW分析显示,尿酸是充血性心衰的危险因素(OR=1.295,95%CI：1.140～1.470)。Weighted median(OR=1.257,95%CI：1.062～1.488)和Weighted mode(OR=1.258,95%CI：1.054～1.501)也显示,尿酸是充血性心衰的危险因素(均为P<0.05)。其中,IVW分析结果表明,尿酸每增加1个单位,充血性心衰发生风险将升高29.5%。

SNP：单核苷酸多态性;MR：孟德尔随机化;Weighted median：加权中位法;IVW：逆方差加权法;Simple mode：简单模式;Weighted mode：加权模式图2 尿酸与房颤、冠心病和充血性心衰因果关联森林图

SNP：单核苷酸多态性;MR：孟德尔随机化;Weighted median：加权中位法;IVW：逆方差加权法;Simple mode：简单模式;Weighted mode：加权模式图3 SNP与暴露和结局之间效应散点图

2.3 结果的可靠性评估

MR-Egger截距检测结果显示,尿酸与房颤MR估算中的Egger-intercept(beta)值为0.01,P=0.21;尿酸与冠心病MR估算中的Egger-intercept(beta)值为0.007,P=0.04;尿酸与冠心病MR估算中的Egger-intercept(beta)值为0.005,P=0.44。上述结果表明,本研究中的3个MR分析结果受基因多态性影响的可能性极小。

在筛选SNPs作为工具变量时,已经采用Leave-one-out法进行了敏感性分析,表明MR结果可靠。MR-Egger和IVW两种方法学进行的Cochran’sQ检验结果表明P值均大于0.05,尿酸与3种心血管疾病MR分析结果不存在异质性(表4)。

表4 Cochran’s Q检验结果

3 讨论

尿酸与多种心血管疾病的发生及预后有密切联系,但受限于传统流行病学的研究方法,并不能明确尿酸对心血管疾病的具体影响。MR分析方法与随机对照试验有着相似的随机方法,评估的因果关系也较观察性研究更为可靠。本研究利用MR分析发现,尿酸不是房颤的危险因素,而是冠心病和充血性心衰的危险因素,尿酸每增加一个单位(mg/dl),冠心病和充血性心衰的发生风险分别上升22.1%和29.5%。

Kleber等[13]采用MR分析法探索了尿酸与心血管事件的关联,研究发现尿酸每上升1 mg/dl,心血管死亡和心原性猝死的发生风险分别为1.77和2.41。该项研究使用的GWAS人群均为欧洲人种,且未分析尿酸与房颤、冠心病和充血性心衰间的因果关联。MR分析方法已尽可能地避免了社会文化等因素对分析结果的影响,但不同的人种间的基因仍然有些许的差异。与Kleber等的研究相比,本研究使用了来自日本人群的GWAS,且更详细地分析了尿酸与3种不同心血管疾病间的因果关联。可见,本研究结果在我国更具推广性。

冠心病是最常见的缺血性心脏病,多个观察性研究已发现尿酸与冠心病间的关联。Sun等[14]在一项基于中国人群的横断面研究中发现,在女性中高尿酸血症与冠心病的发生显著相关,尤其是80岁以上的女性人群。Zuo等[15]在另一项研究中发现,高血尿酸会增加冠心病发生和全因死亡的风险。据推测,其机制可能是尿酸刺激人体产生大量的趋化因子和炎症物质,从而诱导氧化应激。另外,尿酸可能会引起胰岛素抵抗而参与代谢综合征的发病。这些因素都会引起动脉粥样硬化,从而导致冠心病。然而,有些研究却认为尿酸与冠心病发生及预后无因果关联。如最近的一项调查发现,接受冠状动脉造影术的冠心病患者死亡风险的增加与尿酸水平间无关联[16]。本研究通过基于工具变量SNPs的MR分析证实了尿酸是冠心病的危险因素,二者间存在明确的因果关联。因此,在临床中高尿酸血症患者应预防发生冠心病,冠心病患者更应严格控制血尿酸水平,防止尿酸异常引起死亡。

充血性心衰一般指心衰,乃因各种原因导致的心脏泵血功能受损,心排血量不能满足全身组织需要而出现呼吸困难和活动受限等一系列全身性不适。作为一个严重的公共健康问题,心衰居高不下的死亡率不仅严重危及生命,而且占用了大量的医疗费用。可见,预防心衰的发生非常重要。多个大样本的荟萃分析发现,尿酸水平与慢性心衰的发病及死亡增加有关。如,Huang等[5]研究发现尿酸与心衰有关,而Sung等[17]研究发现高尿酸血症患者发生心衰的风险明显高于尿酸正常人群。尿酸对心衰的作用机制可能与氧化/抗氧化、炎症反应、血管收缩、肾素-血管紧张素-醛固酮系统和心肌纤维化有关。氧化酶上调是高尿酸血症病理生理的关键因素,氧化酶抑制剂类药物可有效阻止氧自由基损害血管内皮细胞、降低炎症反应[18]。多个研究发现,尿酸可激活炎症反应通路,导致趋化因子和炎症标记物的激活(如单核细胞趋化蛋白1、C反应蛋白),从而能引起血管收缩介质的激活(如内皮素1、血管紧张素Ⅱ)及生长因子的释放[18]。因尿酸可激活血管内皮细胞的血管紧张素Ⅱ,从而可增加肾素的表达,增加醛固酮的水平[19]。尿酸能刺激纤维细胞产生骨桥蛋白,骨桥蛋白导致胶原蛋白分泌增加,加速心肌纤维化进程[20]。但目前评估尿酸与心衰因果关联的临床研究中的人群多数为老年人,且多数研究数据来自欧洲。本研究发现尿酸与充血性心衰间存在因果关联,且适用于中国人群。

本研究中MR分析也存在一定的局限性。如不能根据性别、年龄等人群信息进行亚组分析。未来在数据允许的情况下,可进行更多的亚组分析为不同的人群提供相应的证据。然而,本研究的人群均来自日本,因此结果可能并不适用于白人或黑人,但更适用于亚洲人群。另外,一些其他的混杂因素,如社会地位、经济情况等,本研究无法针对上述混杂因素进行调整后再分析。还有,本研究仅评估了尿酸与房颤、冠心病和充血性心衰的因果关联,却不能探索具体的作用机制。

综上,尿酸是冠心病和充血性心衰的危险因素,临床中应密切关注高尿酸患者以预防冠心病和充血性心衰的发生。也应关注尿酸异常的冠心病和充血性心衰患者,以预防这两种疾病引起的死亡。相关研究者可进行深入的病理机制研究,以阐释尿酸如何影响心脏组织导致发病。本研究并未发现尿酸与房颤间存在因果关联,但不能排除其他亚组人群间存在因果关联,需要进一步的研究。

利益冲突：无