肌肉质量增加可能导致椎间盘退变：一项两样本孟德尔随机化研究

苏 超，田彧潇，张 清，万田豪，夏 迪

1北京中医药大学，北京 100105；2中国中医科学院望京医院脊柱二科，北京 100102；3山东中医药大学，山东 济南200355

据研究统计，在发达国家腰痛是导致残疾的前三大原因之一［1］。腰痛的真正原因仍有待考究，然而，其与椎间盘退变的相关性已被证实［2,3］。椎间盘由纤维环、过渡带、髓核和软骨终板组成，连接椎体，保护脊髓，并为神经提供空间。椎间盘退变（IVDD）是指髓核渗透压丧失，水和蛋白聚糖含量下降，椎间盘高度降低，最终导致椎间盘破裂［4］。IVDD严重影响患者的生活质量，并对人口迅速老龄化的国家（如中国）构成巨大的经济负担［5,6］。IVDD是一种衰老过程，可能与遗传、生物力学和创伤有关［7］，但其病因和病理生理尚未完全确定。

肌肉减少症（SP）是指与年龄相关的骨骼肌质量、力量和功能的系统性下降［8,9］。目前估计全球患病率为10%，由于人口老龄化，患者人数将在未来几十年将急剧上升［10］，研究估计到2050年SP的患病人数将达到5亿［11］。在人体健康方面，SP增加跌倒和骨折的风险［12,13］，引起运动障碍［14］，与心脏病、呼吸系统疾病和认知障碍相关［15-17］，这些症状和风险严重降低了患者的生活质量，并给家庭和社会带来了更大的负担［18］。过去的研究更多关注SP与退行性脊柱疾病的关系。例如，SP不仅与椎体骨折和脊柱侧弯［19］密切相关，而且还会增加胸腰椎手术后的住院时间、并发症和死亡率［20］。然而，尚没有研究专门解决SP和IVDD之间的联系。

孟德尔随机化（MR）是使用单核苷酸多态性（SNP）作为工具变量进行因果推理的强大工具。由于配子的形成遵循孟德尔定律，父母的遗传基因被随机分配给后代。因此，基因型很可能独立于潜在混杂因素（如环境因素），也不会因疾病发生而改变［21］。本研究进行了MR分析，以研究SP对IVDD的因果效应，并通过该研究揭示肌肉和椎间盘退变之间的关系。

1 资料和方法

1.1 实验设计

首先MR需要满足3个假设：遗传变异与工具变量强相关；遗传工具与混杂因素无关；遗传工具只可能通过暴露影响结果。然后进行样本的MR分析，评估SP对于IVDD的影响。暴露和结果的遗传工具都是从独立的GWAS数据中提取的。研究设计概述见图1。

1.2 数据来源

肌肉瘦体质量(ALM)、小腿围、步行速度、握力等是评估SP的重要指标［22］。因此在本实验中，采用ALM和握力代表SP作为暴露因素。ALM和握力的全基因组关联研究（GWAS）数据库均来自于英国生物银行，简而言之，ALM通过450 243名参与者的游离质量总和来量化，并根据阑尾脂肪质量、年龄、年龄2和其他协变量进行调整，握力通过使用Jamar测力计收集握力数据（n=335 842），这是一种经过验证且广泛使用的测量握力的方法［23,24］。

椎间盘退变的GWAS数据库来源于芬兰数据库FinnGen consortium R7。FinnGen 旨在收集和分析500 000名来自芬兰生物样本库参与者的基因组和健康数据。其中椎间盘退变病例数有29 508 例，对照组248 831例。为证明结果的可重复性，我们对另一来自MRC-IEU的椎间盘疾病数据库进行了分析。暴露和结局来自于不同的数据库避免了样本重叠的可能性，样本重叠率越高，其产生的偏倚就越大。

1.3 数据分析

根据MR的第一个假设，选择与暴露显著相关的SNPs作为工具变量（P＜5×10-8），并且去除了SNPs之间的连锁不平衡（r2=0.001，kb=10000）。然后根据公式F=（N-K-1/K)(R2/1-R2)计算出F 值来评估若工具变量偏倚，其中N是样本量，K是IV的数量，R2是IV解释的暴露变异性的比例。最后我们保守的去除了与久坐、吸烟两个混杂因素相关的SNPs，得到了最后用来分析的IVs（表1）。

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

使用执行逆方差加权方法（IVW）、加权中位数法（WM）和MR-egger法作为评估SP和IVDD因果关系的统计方法，IVW作为主要的分析方法，发现存在显著异质性时，使用随机效应模型，反之使用固定效应模型。当分析中高达50%的权重来自无效工具变量时，WM可以提供一致的估计值［25］。MR-Egger方法可以识别和纠正潜在的多效性（截距P＜0.05），并给出一致的估计值［26］。之后，使用MR-PRESSO测试多效性并检测去除离群值再次进行MR分析。考虑到SP和IVDD相关性状的多重检验，通过采用保守的方法调整P值（P=0.05/4=0.0125）。为测试结果的稳健性，进行了几次敏感性分析。通过Cochran's Q统计量评价IVs间的异质性。采用MR多效性测试进行MR Egger，并返回截距值以评估水平多效性。采用留一分析方法检查是否整体估计是不成比例的受到特定SNPs的影响。

通过检索中国知网(CNKI)、万方数据库、维普数据库、PubMed、Web of Science等数据库，发现没有研究证明近视与SP、IVDD存在相关联系，因此近视作为阴性对照结果进行分析。所有的MR检验均使用R统计软件（版本4.1.2）中的R 包“TwosampleMR”和“MRpresso”进行。

2 结果

经计算，与ALM、左右手握力相关工具变量的F统计值均大于10，显示所选择的IVs足够强大以消除存在的偏倚。将上述暴露分别与IVDD进行MR分析，分别有570、97、79 个适当SNP 组成。结果显示ALM 和IVDD 呈明显的正相关[IVW：OR=1.139，95%CI=（1.076，1.204），P=6.619e-6]；与右手握力可能存在正相关关系（表2）。所有的异质性检测发现P均＜0.05，所以IVW使用的是固定效应模型。结果没有发现存在水平多效性。MR-PRESO检测显示，ALM、左右手握力存在部分离群值，去除后再次进行MR得到的结果与之前保持一致。散点图显示，遗传预测的ALM对IVDD风险分析所得到的回归线基本一致（图2）。

表2 肌肉减少症与椎间盘退变相关特征的孟德尔随机化估计Tab.2 MR estimates of the characteristics associated with SP and IVDD

为验证结果的准确性，选择另一椎间盘退变的GWAS数据库再次与ALM和左右手握力进行分析，结果显示，ALM和IVDD存在显著的正相关关系[IVW：OR=1.001，95%CI=（1.000，1.001），P=0.004，表3]，与左右手握力没有因果关系。

表3 肌肉减少症与椎间盘退变(MRC-IEU）相关特征的孟德尔随机化估计Tab.3 MR estimates of the characteristics associated with SP and IVDD(MRC-IEU)

阴性对照分析结果显示，ALM、左右手握力和椎间盘疾病均与近视无关，因此选择的IVs是合适的。

3 讨论

孟德尔随机化的优势在于，由于人类的染色体在出生前便已确定，SNP 中等位基因遵循随机分配原则，不受环境影响，相较于队列研究等观察性研究，能够有效减少偏倚，帮助确定暴露与结局之间的因果效应［27］。与我们最初猜想相反，即SP会增加IVDD的风险，MR分析结果显示，IVDD和ALM存在显著正相关关系，可能与右手握力存在正相关关系，均提示肌肉质量或功能的提升会增大IVDD的风险。

关于肌肉和IVDD的关系目前仍存在争议。研究表明，由骨骼肌纤维组成的躯干和椎旁肌肉对脊柱的稳定和支撑起着至关重要的作用［28,29］。有研究发现，T10-L5椎旁肌的骨骼肌面积（SMA）、指数（SMI）和平均衰减（SMRA）可以作为评估SP的有效指标［30］，因此用椎旁肌的状态来评估全身肌肉质量是合适的。无论是通过有限元发现，椎旁肌肉力量的丧失可能会增加下腰椎椎间盘、脊柱后部和椎体的压力，还是研究表明SP与脊柱-骨盆矢状面不平衡有关，矢状面不平衡加速椎间盘突出［31,32］，都证明了肌肉减少会促进椎间盘退变。然而，一些研究从临床观察、动物试验等角度发现椎间盘退变和肌肉萎缩或破裂并没有相关性［33-35］。尤其是有研究通过分析腰椎术后椎间盘突出复发的病人在磁共振图像上L2-L3、L3-L4和L4-L5椎间盘水平的横截面积（CSA）、瘦肌肉质量（LMM）和骨骼肌指数（SMI），以代表肌肉质量［36］，与本研究产生了一致的结论，即较大的肌肉质量是IVDD的危险因素。

根据肌肉的生理特性，出生后肌肉的生长主要通过肥厚发生，而运动通常会导致肌肉质量的增加，可能表现为横截面积的增加或延长，或两者兼而有之［37］。如果老年人进行渐进式阻力训练会导致肌肉肥大和力量增加［38］。因此，处于长期繁重劳动的人在增加IVDD风险的同时伴随着肌肉质量的增加。同时，有综述研究表明腰大肌作为髋屈肌，帮助脊柱向前弯曲［39］。但其会对腰椎施加较大的压缩力和剪切力。有研究报告腰椎屈曲时椎间盘压力最高［33］，综合生物力学考虑，较大的腰大肌质量会对椎间盘施加大的压缩力，提高盘内压力最终导致椎间盘退变。

研究认为SP与椎间盘退变、椎体骨折和脊柱侧弯密切相关［19］，与我们的分析结果一致的研究少之又少。但MR中遗传变异作为暴露因素是长期稳定并可以直接测量的，排除了社会环境、生活方式等混杂因素的干扰［40］，不涉及伦理道德方面的问题，且研究经过了两个数据库的双重验证，我们相信结果是可靠的。笔者借助MR开展了对SP和IVDD因果关系的研究，虽然得出的结论与既往研究不符，但仍能为现实提供一定参考。一方面，因肌肉质量的下降会增加自身带来的椎间盘压力及脊柱不稳定，我们不否认肌肉减少会增加椎间盘退变的风险；另一方面，伴随着肌肉增加的体力劳动和频繁弯曲扭转活动会增加额外椎间盘压力，因此对该领域仍需进一步研究。另外本研究也存在不足之处：本研究的人群样本为欧洲人群，并不能确定在别的种群中研究结果保持一致；研究筛选的SNP数量较多，虽然在本研究的支持下保守地剔除了两个混杂因素，但仍可能存在其他未剔除的混杂因素；IVDD和SP之间的因果关系仅得到了部分验证，需进一步扩大样本量或随机对照试验进一步研究。

综上所述，本研究探索了SP和IVDD的因果关系，研究结果提示肌肉质量和IVDD之间可能存在正相关关系，但需要进一步的研究来证实。在诊疗过程中应注意预防大肌肉量患者IVDD发生的可能，并根据患者的不同情况给予不同的功能锻炼方案，以免加重患者的症状。