孟德尔随机化分析方法在结直肠癌病因研究中的应用现状*

陈慧娴，黄理哲，庄烁琳

530001 南宁，广西中医药大学 研究生院（陈慧娴、庄烁琳）；530001 南宁，广西中医药大学附属瑞康医院 胃肠外科 （黄理哲）

结直肠癌（colorectal cancer， CRC）是临床常见的胃肠道恶性肿瘤［1］，患者在早期并无明显症状，随着疾病的进展，出现腹痛、腹泻、血便、便秘等症状，最终发展为重度贫血和严重消瘦。据2020 年全球癌症统计数据［2］，我国CRC 发病率居恶性肿瘤第3 位，死亡率居第5 位，均呈上升趋势。当前我国CRC 防诊治工作任重而道远，CRC 的早诊早治和筛查项目开展具有重要意义。

在过去的研究［3］中，随机对照试验是探讨风险因素与疾病之间关系的金标准；观察性研究为阐明风险因素与疾病之间的关系提供了另一个机会，但二者均存在实施难度大、成本高、耗时长等缺点。这些研究［4］阐明了患病因素与疾病之间的联系，但由于潜在混杂因素和反向因果关系的影响，不能将其解释为明确的因果关系。

孟德尔随机化（Mendelian randomization， MR）是一种以遗传变异作为潜在工具变量（instrumental variables， IV）来确定风险因素与疾病之间的观察性关联是否符合因果效应的分析方法，能够解决上述传统流行病学研究方法的局限性。目前，MR 分析已被广泛应用于探讨与CRC 相关的风险因素，为CRC 的干预及治疗提供新的观点，本文旨在对CRC领域中MR 分析的应用现状进行综述。

1 MR 分析现状

MR 分析是一种用于推断因果关系的统计方法，构成MR 分析基础的原理是根据孟德尔的遗传定律：等位基因在从父母传给后代时随机分离，故一对基因的遗传与另一对基因的遗传无关。因此，后代的基因型与种群中的混杂因素不相关［5］。

MR 分析使用常见的遗传变异（如生活习惯、生物标志物）作为IV，通常是检测常见单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms， SNP）与疾病之间的关联。研究人员最初在全基因组显著性水平（P＜ 5×10-8）上识别和提取与患病因素相关的SNP 信息，随后评估这些SNP 信息与疾病之间的关系，以获得优势比和平均差［5］。当风险因素与疾病之间的关联具有统计学意义时，则说明风险因素与疾病具有因果关系［6］。综上，MR 分析是在“大数据”新时代探索因果问题原则性的可靠手段，使用适当的IV测量风险因素与疾病之间的相关性，并通过测试和调整异质性来提高方法的严谨性［7］。

Katan［8］在1986 年提出将遗传变异作为IV 的关键条件：（1）遗传变异与混杂因素无关；（2）遗传变异与患病因素相关；（3）遗传变异只能通过风险因素与疾病相关联，而不能通过其他混杂因素影响疾病的发生。由此，MR 分析较传统流行病学研究方法具有以下优势：（1）减少混杂因素对疾病的影响；（2）减少反向因果关系带来的局限性；（3）可长时间地进行风险因素与疾病的研究（IV 终生有效）；（4）基因型检测的高准确性可有效避免检测误差。

2 MR 分析在CRC 病因的探索

近年来，应用孟德尔随机化研究CRC 致病因素的文章大量发表，对既往观察性研究发现的CRC 病因进行探讨，为防治CRC 提供高质量的证据。

2.1 生活习惯与CRC

饮酒被认为是CRC 的可控危险因素之一。然而，饮酒程度与CRC 的危害关系尚不明确：一项分析发现饮酒与CRC 发病之间存在J 型关联，即与不饮酒者相比，适量饮酒表现出保护作用［7］，而其他研究则报告在适量饮酒水平下存在正剂量反应关系或不显著的正关联。总体而言，饮酒与诱发CRC 的观察性关联不一致，这些差异可能是混杂因素、反向因果关系以及其他数据偏倚造成的。Deng 等［9］对58 610 名东亚人群进行MR 分析，研究发现CRC 发病率与饮酒者（OR=1.39， 95%CI: 1.21～1.60）呈正相关，而与不饮酒者无明显关系。而Zhou 等［10］进一步的个体MR 分析中得出：CRC 的发病率与中度饮酒（12.5 ≤饮酒量≤50 克/天）、重度饮酒（饮酒量＞ 50 克/天）显著相关，随着酒精摄入量的增加，CRC 发病风险显著增加，但是死亡率与中度、重度饮酒均不显著相关。但未观察到轻度饮酒（饮酒量≤12.5 克/天）与CRC 风险之间的关联。Li 等［11］对于亚洲人群的MR 研究也得到相同的结论。综上，这些研究排除混杂因素后，明确了饮酒为CRC 发病的风险因素，证实不饮酒有利于CRC 的预防和管理。

吸烟是全球最常见的癌症危险因素，估计有1%的癌症可归因于吸烟［12］。烟草烟雾是芳香胺（即苯胺和邻茴香胺）暴露的主要来源，有强有力的证据表明芳香胺对动物有致癌作用［13］。流行病学研究普遍发现吸烟对CRC 发病有较高的风险。Dimou等［14］的一项根据98 715 名欧裔人群完成的MR 分析也支持：较高的终生吸烟量［15］与CRC 呈正相关（OR=1.21， 95%CI: 1.04～1.40）。吸烟与CRC 的因果关系提示着应当推广减少吸烟量的行为，以降低结直肠癌的发生率。

作息时间被认为是影响胃肠道癌症风险的新因素［16］。习惯性熬夜与缺乏锻炼和不健康的饮食习惯有关，因此可能会对健康产生不利影响并增加患癌的风险。尽管一些研究［17-18］将时间型与消化道癌联系起来，但没有相关研究检验两者之间的关系。一项涉及欧裔及北欧个体的MR 分析［19］发现：早睡早起的作息与CRC 的发病率呈明显的负相关（OR=0.92， 95%CI: 0.87～0.98）。而Barrea 等［20］的一项实验，包括218 名肿瘤患者与健康组的对照发现，胃肠胰神经内分泌肿瘤患者的晚间睡眠型百分比更高。这些发现都表明，早晨时间型在降低CRC 风险方面起着因果作用，意味着在考虑CRC 患病风险时应考虑睡眠时间类型。由此，减少晚间睡眠型可能成为降低CRC 患病风险的有效策略。

咖啡作为如今世界各国最受欢迎的饮品之一，其对公众健康的潜在影响是巨大的，包括心血管疾病、2 型糖尿病、癌症等［21］，但咖啡与CRC 之间的关系仍不清晰。房立源等［22］对东亚人群进行MR 分析得出：东亚人群中咖啡消费对结直肠癌具有潜在保护作用，而最近的前瞻性列队研究也证实了这一点［23-24］。有趣的是，Liu 等［25］的一项针对欧裔人群的MR 分析说明了没有发现任何确凿的证据将咖啡消费与CRC 联系起来。由此可见，MR 分析在人群差异上表现较为显著，不同人群需要进行深入分析，而在性别、年龄等因素的差异是否会导致MR 分析结果产生偏倚，仍需进一步完善数据库以及后续基础研究加以验证。

随着MR 分析在CRC 发病机制领域的广泛应用，除以上风险因素，对一些可能影响CRC 发生发展的生活习惯的MR 分析也在近几年陆续开展：证实了食用牛奶［26］对CRC 的预防作用，否定了茶饮［27］参与CRC 发病因素，同时发现了“久坐”［28］将会增加CRC 患病率，故减少久坐时间可视为癌症一级预防的有效策略。这些研究明确和排除了多种生活方式因素与CRC 之间的因果关系，这可能提示了对CRC 进行一级预防的日常行为方式。汇总结果见表1。

表1 常见生活习惯与CRC 因果关系的孟德尔随机化分析结果Table 1.Mendelian Randomization Analysis of the Causal Relationship between Common Lifestyle Habits and CRC

2.2 生物标志物与CRC

血脂（甘油三酯、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白或总胆固醇）异常与CRC 之间关联的前瞻性研究结果并不一致。目前尚未明确血脂异常是否会直接导致癌症，或者是间接的致癌因素。Luo 等［29］通过对东亚的102 518 名研究者进行单、多变量MR 分析，发现血脂与CRC 风险之间没有关联。而Ibáñez-Sanz 团队［30］也发现了一致的结果：每10 个等位风险基因的OR分别为甘油三酯（OR=0.91，95%CI: 0.72～1.16，P=0.44），高密度脂蛋白（OR=1.14， 95%CI: 0.95～1.37，P=0.16），低密度脂蛋白（OR=0.97， 95%CI: 0.81～1.16，P=0.73）和总胆固醇（OR=0.98， 95%CI: 0.84～1.17，P=0.88），故遗传脂质与CRC 无关。

最近的流行病学和实验研究表明［31］，内源性浓度的性激素在结直肠癌风险中存在因果关系，但“性激素前体”的作用尚未得到彻底研究。硫酸脱氢表雄酮［32］（dehydroepiandrosterone sulfate，DHEAS）是我们体内主要性激素的前体，DHEAS 是脱氢表雄酮（dehydroepiandrosterone， DHEA）的硫酸化衍生物，是一种类固醇激素，主要由肾上腺皮质产生。Jayarathna 等［33］发现采用逆方差加权法MR分析DHEAS 水平与CRC 风险的因果估计值，提示DHEAS 水平与CRC 发病率呈负相关，存在反比关系（OR=0.70， 95%CI: 0.51～0.96）。这项研究的结果将有助于开发基于结直肠癌的血浆DHEAS 生物标志物。为激素与CRC 风险关联研究提供了新的方向。应进行进一步的研究来挖掘不同地域和人群之间DHEAS 与结直肠癌的关联。

维生素C，也称为抗坏血酸，是存在于大多数水果和蔬菜中的必需水溶性营养素，其大部分生物学功能涉及其作为抗氧化剂和自由基清除剂的能力［34］。维生素C 可能在预防癌症，特别是消化系统癌症中发挥作用。病例对照和队列研究表明［35］，高维生素C 摄入量与降低患结直肠癌、胃癌和胰腺癌的风险存在关联。观察性研究的数据也表明，人类食用富含维生素C 的食物与CRC 的风险呈负相关。然而，在上述研究中，其他饮食习惯与生活方式的的混杂因素是不可避免的；此外，饮食摄入量难以测量，导致维生素C 摄入量的难以评估。故Larsson等［36］针对367 542 名欧裔进行了相关MR 分析：结果（OR=0.84， 95%CI: 0.73～0.96）表明通过食用富含维生素C 的食物或补充剂来增加人体内维生素C 水平可以降低CRC 的风险。

糖化血红蛋白是血红蛋白的一种形式，它反映了患者过去6～8 周的平均血糖水平［37］。虽然目前有部分前瞻性流行病学研究阐述了糖化血红蛋白百分比与结直肠癌风险的关系，但结果各不相同：Saydah 团队进行的病例队列分析表明［38］：CRC 风险随着糖化血红蛋白百分比的增加而增加；而Khaw等［39］的研究表明二者并不相关。Murphy 等［40］为完善关于糖化血红蛋白和CRC 关联的因果关系，进行了一项MR 分析：糖化血红蛋白浓度会增加男性直肠癌的风险（OR=1.21， 95%CI: 1.05～1.40），但女性则不会。男性降低血糖或生活方式干预糖尿病可能有助于预防CRC 的发生。

恶性肿瘤的发生和发展取决于血管生成。肿瘤血管生成是一个复杂的过程，由血管生成和血管抑制因子调节。新生血管化增加了肿瘤的血液供应，以更好地输送氧气和营养，使肿瘤细胞扩散到远处。在促血管生成因子中，血管内皮生长因（vascular endothelial growth factor， VEGF）是至关重要的子［41］。VEGF 通过旁分泌机制作用于内皮细胞，以促进血管形成，抑制内皮细胞凋亡，并提供血管通透性。观察实验表明［42］，VEGF 在大多数人类肿瘤中过表达，与CRC 的生长、转移、病理分级和预后不良密切相关，但肿瘤与VEGF 之间是否存在因果关系尚不清楚。Wu 等［43］根据21 758 名欧裔验证循环VEGF与不同类型的癌症之间是否存在因果关系以及因果关系，结果在CRC 与循环的VEGF 检测到因果关系（OR=1.21， 95%CI: 1.11～1.32），循环VEGF 浓度升高与CRC 的风险呈正相关，由此表明循环VEGF在预防和治疗CRC 中的重要性。VEGF 浓度的降低可以改善CRC 患者的预后。

胆红素是血红蛋白分解的副产品，被认为是抗氧化剂可以预防癌症［44］。Seyed 等［45］学者为调查胆红素的循环水平是否与CRC 的风险有关，在五十余万样本量中发现了：在男性中，胆红素循环水平与CRC 风险之间存在正相关（OR=1.19，95%CI: 1.04～1.36）。相比之下，女性胆红素循环水平和CRC 风险呈负相关（OR=0.86， 95%CI:0.76～0.97）。总之，循环胆红素在结直肠癌发展中存在因果关系，但仍需进一步探查胆红素与CRC之间的关系。

研究表明［46］C 反应蛋白（C-reactive protein， CRP）每增加一个单位（mg/L），CRC 风险将增加12%。男性的关联性强于女性，结肠癌的关联性强于直肠癌。尽管观察性研究验证了CRP 与CRC 因果关系，但它们容易受到其他未测量的混杂因素的潜在偏倚，为探查升高的CRP 浓度与CRC 风险之间的因果关系，Wang 等［47］学者的一项MR 分析表明： CRP 浓度（mg/L）增加一个单位与CRC 风险增加无关（OR=1.04，95%CI: 0.97～1.12，P=0.256）。其研究结果表明，CRP 不太可能是CRC 发展的因果因素。但是CRP浓度是否能与其他血液炎症标志物存在因果关系，需要我们继续完善更多的工作。

幽门螺旋杆菌（Helicobacter pylori， HP）是一种革兰氏阴性细菌，定植于人类的胃粘膜中。研究证据表明［48］，CRC 患者中HP 血清阳性的发生率很高，但也有报告［49］指出HP 感染在CRC 的发生中没有作用。由于HP 感染在人群中的患病率很高，并且抗HP 治疗相对容易且具有成本效益，因此，阐明HP 感染是否与CRC 相关具有重要的公共卫生和临床意义。Luo 等［50］等联合多种MR 分析方式验证出：HP 感染率与CRC 之间不存在因果关系。值得注意的是，迄今为止可用的证据是基于观察性研究，很难进行随机对照试验来检查HP 感染与CRC 之间的关联，然而该研究首次尝试从遗传变异的角度阐明两者之间的联系。故MR 分析可以帮助我们从遗传变异的角度了解疾病与病因之间的联系，以期早期预防和适当干预的公共卫生策略。汇总结果见表2。

表2 常见生物标志物与CRC 因果关系的孟德尔随机化分析结果Table 2.Mendelian Randomization Analysis of the Causal Relationship between Common Biomarkers and CRC

2.3 其他疾病与CRC

观察性研究表明［51］，牙周病会增加患CRC 的风险。Corlin 团队［52］使用双样本MR 分析，评估了牙周病的遗传易感性指数与CRC 风险：观察到与CRC 风险的统计学显著关联，可能需要增加对预防性口腔健康措施的关注，并加强对牙周炎患者的癌症监测。

胆结石病（gallstone disease， GSD）是一种主要的胆囊疾病，影响全球10-20%的成年人口［53］。Pang等［54］针对512 715 个中国人群进行的一项MR 分析得出：患有症状的GSD 与消化道癌症的风险增加有关，其中结直肠癌的风险最为突出。由于GSD 和消化道癌症具有共同的代谢危险因素，例如缺乏运动、肥胖、糖尿病［55］，生活方式的干预有助于降低这两种疾病的患病风险。

近几十年来，许多队列研究［56］报告了2 型糖尿病与癌症风险增加之间的关联，尤其是CRC。研究表明，高水平的血糖或糖化血红蛋白与癌症发病率有关。这些关联在生物学上是合理的，因为高血糖会增加线粒体葡萄糖氧化，从而通过氧化应激促进DNA 损伤。由于糖尿病或高血糖水平可以通过改变生活方式或药物治疗来预防，因此预防糖尿病及避免高血糖可能是预防癌症的潜在策略。Goto 等［57］学者针对亚洲人群进行了MR 分析，证实：糖尿病患病率每增加一倍，CRC 风险比为（OR=0.90， 95%CI:0.74～1.10，P= 0.82）。研究证明：没有证据支持糖尿病与CRC 风险之间的关联。

较高的体重指数（body mass index， BMI）会增加患CRC 的风险，为了解肥胖相关代谢物是否解释了肥胖与CRC 的关联，Bull 等［58］在性别组合分析中发现：较高的BMI 会大大增加男性（OR=1.23，95%CI: 1.08～1.38）的CRC 风险，而腰臀比的增加会大大增高女性（OR=1.25， 95%CI: 1.08～1.43）的CRC 风险。Thrift 等［59］也证实了避免超重和肥胖是预防CRC 的目标，应该鼓励男性和女性保持正常的BMI。

便秘的特征是排便次数减少或排便困难，先前的观察性研究在便秘与CRC 之间的因果关系方面存在大量争议［60-62］。Wu 等［63］的双向MR 研究支持便秘会增加患CRC 风险，但这种关系在统计学上并不强（OR=0.137， 95%CI: 0.007～2.824）。当便秘与结肠癌和直肠癌分开分析时，没有发现便秘与其两者之间存在因果关系。这一发现表明，结直肠癌的发展可能不会直接导致便秘的发生，而是强调了便秘作为CRC 危险因素的潜在影响。未来的研究应探索便秘与CRC 之间关联的潜在机制，以更好地了解所涉及的生物学途径。该发现强调了公共卫生干预措施应侧重于促进规律排便、健康饮食习惯和维持肠道菌群平衡，以降低有便秘史的个体患CRC的风险。也由此提示我们双向MR 分析可以更全面地对风险因素进行阐述。汇总结果见表3。

表3 常见疾病与CRC 因果关系的孟德尔随机化分析结果Table 3.Mendelian Randomization Analysis of the Causal Relationship between Common Diseases and CRC

3 总结与展望

MR 分析指导了血脂、糖尿病等多种观察性研究结果认为与CRC 相关，但同时存在争议的因果关系，为今后探讨CRC 病因提供了思路，也为CRC 的预防及治疗提供了依据。MR 分析和传统研究比较，前者具有独特的优势：基于全基因组研究选取的工具变量，统计学效力较高，也可以有效避免潜在的混杂因素及反向因果的影响。

但是，MR 分析仍存在局限性：样本量较少可能会导致结果偏倚，未来可能需要更大的研究人群数量，多种验证方式并进，为CRC 的精确防治提供更好的证据；分析方法随国内外学者广泛应用，但大多数研究仍集中于欧裔，中国人群的研究仍较缺乏；结果解读存在误差，容易受到工具变量的偏倚和基因多效性的影响，结合生物学知识、生物信息学分析和后续的基础实验将有助于研究结果的解读。MR分析在CRC 的病因分析上取得许多进展，使得CRC的早诊早治和筛查项目开展更加顺利，尽管MR 分析仍存在一些局限性，但是被称作“天然RCT”的MR 分析，在今天及数据生成成本不断降低的未来，将成为一种更为主流的流行病学研究方法在CRC和其他疾病的研究中发挥更多更强大的作用。

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