骨关节炎与动脉粥样硬化的双向因果风险关系

【摘 要】目的：探讨骨关节炎与动脉粥样硬化之间的双向因果风险关系。方法：在公开的全基因组关联研究数据平台中，选取单关节或多关节骨关节炎和动脉粥样硬化的数据进行汇总分析，并筛选强相关的单核苷酸多态性作为工具变量进行孟德尔随机化（MR）分析。其中，使用逆方差加权法作为主要分析方法，并采用加权中位数法以及MR-Egger法确保结果的稳定性。结果：MR分析揭示了基因预测的骨关节炎与动脉粥样硬化的增加不存在风险效应关系（逆方差加权法P > 0.05），反向MR分析也提示两者不存在风险关系（逆方差加权法P > 0.05），敏感性分析结果同样支持以上内容。结论：MR分析的证据表明，骨关节炎和动脉粥样硬化之间没有显著的因果关系。这与之前一些观察性研究报告的相关性相矛盾，提示这些相关性可能由其他混杂因素构成。同时，这为其他观察性研究报告的结论提供了遗传证据，即骨关节炎不会影响动脉粥样硬化风险，反之亦然。

【关键词】 骨关节炎；动脉粥样硬化；双向因果关系；孟德尔随机化

The Two-way Causal Risk Relationship Between Osteoarthritis and AtherosclerosisJI Hao-ran，FANG Ke，ZHOU Zhong-yun，WANG Ping

【ABSTRACT】Objective：To explore the two-way causal risk relationship between osteoarthritis and atherosclerosis.Methods：In the open genome-wide association research data platform，the data of single joint or multi joint osteoarthritis and atherosclerosis were collected and analyzed，and the strongly related single nucleotide polymorphisms were screened as instrumental variables for Mendelian randomization analysis（MR）.Among them，the inverse variance weighting method was used as the main analysis method，and the weighted median method and MR-Egger method are used to ensure the stability of the results.Results：MR analysis revealed that there was no risk effect relationship between gene predicted osteoarthritis and the increase of atherosclerosis（inverse variance weighted method P > 0.05），and inverse MR also suggested that there was no risk relationship between the two （inverse variance weighted method P > 0.05）.The sensitivity analysis results also supported the above contents.Conclusion：The evidence of MR analysis shows that there is no significant causal relationship between osteoarthritis and atherosclerosis.This contradicts the correlations reported in some previous observational studies，suggesting that these correlations may be composed of other confounding factors.At the same time，this provides genetic evidence for the conclusions of other observational research reports，that is，osteoarthritis does not affect the risk of atherosclerosis，and vice versa.

【Keywords】 osteoarthritis;atherosclerosis;two-way causal relationship;Mendelian randomization

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种以关节软骨的变性、破坏以及骨质增生为特征的慢性关节炎症［1］，主要表现为关节疼痛和活动受限，常见于膝、髋等关节［2］。OA常见的风险因素包括高龄、女性、肥胖、炎症反应和高强度运动等［3-4］。目前，全球已有超过5亿OA患者［5］，OA不但可导致关节疼痛、畸形与功能障碍，还可显著升高心血管事件、静脉血栓栓塞等风险［6-7］。然而，OA的机制目前尚未完全阐明，因此进一步探究其确切病因具有重要意义。

近年来，OA与动脉粥样硬化的关联逐渐引起人们的关注。研究表明，某些与肥胖相关的生物标志物，如胆固醇和低密度脂蛋白，常在OA的发病机制中发挥作用［8］。其次，既往一项针对服用他汀类药物观察膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）发生率与进展的队列研究发现，服用他汀类药物1年后可使KOA整体进展减少50%，但髋骨关节炎（knee osteoarthritis，HOA）却并没有获得相应的支持［9］。此外，OA作为一种代谢性疾病，随着软骨细胞逐渐采用脂肪酸替代葡萄糖进行细胞代谢，在组织学变化发生之前，早期阶段即可观察到关节腔内滑液的脂质沉积加速关节软骨的退化［10-12］。最后，一项超过3200万参与者的系统回顾研究发现，OA患者同时患心血管疾病的风险率显著偏高，并且患有缺血性心脏病和心力衰竭的可能性是无OA的2倍［13］。然而，综合以上研究，仍只能确定OA与动脉粥样硬化之间存在关联性，对于OA与动脉粥样硬化之间独立因果关系的了解仍较为有限。

受困于观察性研究存在的测量误差和潜在偏移等局限性［14-15］，孟德尔随机化（MR）法可以通过基因水平随机分布解决这些问题，为两者之间的因果关系提供更为可靠的证据［16］。故本研究通过上述方法，以期从基因水平层面进一步解释两者之间关系。

1 资料与方法

1.1 研究设计 使用MR方法评估单关节或多关节OA与动脉粥样硬化（冠状动脉粥样硬化、脑动脉粥样硬化、四肢动脉粥样硬化与其他动脉粥样硬化）之间的双向因果效应关系（如图1所示）。在MR分析中，需要满足以下3大假设［17］。①关联性假设：工具变量（IV）需与暴露因素强相关。②独立性假设：需与任何混杂因素无关。③排他性假设：IV只能通过暴露因素的途径影响结局。此外，本研究进行了反向MR分析，以观察动脉粥样硬化对OA的双向因果关系。

1.2 数据来源 从IEU Open GWAS数据库（https：//gwas.mrcieu.ac.uk/）中获取OA与动脉粥样硬化的GWAS数据集（见表1），其中，人种构成均为欧洲人群。另外，本研究不需要伦理批准，因为使用的数据是公开可用的。

1.3 IV的筛选 在IV的筛选中，首先应确保以下3个条件［18］：①IV与暴露因素的强相关性。当IV阈值设置为P < 5×10-8，所得单核苷酸多态性位点（SNPs）数目过少，故本研究将IV阈值设置为

P < 1×10-5。②剔除连锁不平衡。r² = 0.001，区间宽度设置为KB = 10 000。③去除回文结构。在过去的MR研究中发现，血脂（包括低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、甘油三酯、载脂蛋白a、载脂蛋白b）异常、肥胖指数、糖尿病、吸烟与动脉粥样硬化之间存在潜在关联因素［19］；肥胖指数、抑郁、吸烟、糖尿病与OA之间存在潜在关联因素［20］。因此，为了避免IV受混杂因素的影响，采用LD trait Tool剔除混杂因素的SNPs（https：//ldlink.nih.gov/？tab = ldtrait）。最后，在MR分析中，为避免潜在弱IV的偏移，计算F值统计量（F = β²/se²），并使用F值评估IV的强度。若F值< 10被认为是弱IV，同时将其剔除［21-22］。

1.4 统计分析 采用逆方差加权法（IVW）［23］、MR-Egger法［24］以及加权中位数法（WME）［25］作为此次分析的主要方法。若以上3种方法对因果推断得到相似的结果，那么该结果则被认为是可靠的。IVW法是最有效的检验因果效应关系的评价方法，它的特点是在不考虑截距项存在的同时采用结局方差（se²）的倒数作为权重进行拟合。因此，本研究将IVW法作为评估OA与动脉粥样硬化之间风险关系的首要方法。MR-Egger法常用于检测和校正因果效应中的倾向性和反向因果的偏倚，它通过拟合线性回归模型，可以将遗传变异对性状的影响和对基因表达的影响相联系。WME法是一种用于合并多个MR估计结果的方法，常用这种方法将不同遗传变异对性状的因果效应进行加权，然后取加权后的中位数作为最终的因果效应估计，可以减少因为某些遗传变异估计结果的偏离导致的偏差。因果效应评价的结果通常用比值比（OR）和95%置信区间（CI）表示。最后，本研究采用双向因果法进一步评估OA与动脉粥样硬化之间的因果关系。

1.5 敏感性分析 首先，采用MR-Egger截距检验SNPs是否存在水平多效性［26］。若截距P < 0.05则证明检验有统计学意义，表明分析结果存在显著多效性。其次，使用Cochran's Q检验评估IVW法因果效应的异质性［27］。若P < 0.05，选择随机效应模型进行分析；反之，则选择固定效应模型。值得一提的是，本研究采用MR-PRESSO方法检测是否存在异常值［28］，如果检测到异常值，则水平多效性可通过消除异常值进行修正。最后，使用“留一法”进行敏感性检测［29］，可以评估当依次排除每个工具变量时，MR的结果是否显著改变。

所有的分析都使用R软件（版本4.3.3）中的Two Sample MR程序包（版本0.5.7），MR-PRESSO程序包（版本1.0），Mendelian Randomization程序包（版本0.9.0）和forest plot程序包（版本1.1.1）进行。

2 结 果

根据IVs筛选标准，本研究最终筛选结果及MR分析如图2、图3所示。在MR分析结果中，发现遗传预测的单关节或多关节OA与动脉粥样硬化（包括冠状动脉粥样硬化、脑动脉粥样硬化、四肢动脉粥样硬化，以及其他动脉粥样硬化）之间均没有明显因果关系（P ≥ 0.05），并且加权中位数模型与MR-Egger模型也显示出一致性的结果（P≥0.05），这更加验证了这一趋势。

MR敏感性分析结果汇总如表2、表3所示。首先，水平多效性MR-Egger截距检验结果表明，OA与动脉粥样硬化之间没有定向水平多效性的统计证据（P > 0.05），且未发现其之间存在异质性的检验结果（P > 0.05）。其次，在MR-PRESSO的检验中，未发现离群值的同时P > 0.05，说明暴露因素和结局变量不存在水平多效性，这更加增强了研究结果的可信度和稳定性。再次，使用“留一法”逐步剔除每个SNP计算剩余SNPs的Meta效应时发现，在剔除每个SNP后，总体的误差线并没有明显改变（所有的误差线均穿过“0”这条线），这更加证明了OA与动脉粥样硬化两者之间没有显著的因果关系。

3 讨 论

在既往的研究中，发现更多的是OA与动脉粥样硬化之间存在相互促进相互影响的关系。LARGO等［30］在慢性抗原诱导的OA家兔模型发

现，动脉粥样硬化合并慢性OA的家兔模型表现出更明显的全身尤其以股动脉为主的炎症和斑块不稳定介质的持续上调，进而加重动脉粥样硬化与OA的发生。此外，OA与动脉粥样硬化之间存在的共同危险因素，如脂联素作为导致冠状动脉粥样硬化心脏病中公认的脂肪因子，可在小鼠软骨细胞中诱导诱导型一氧化氮合酶、基质金属蛋白酶-3、基质金属蛋白酶-9和单核细胞趋化蛋白-1等因子导致关节软骨降解［31-32］。除此之外，高龄、体力活动减少、慢性炎症、血脂紊乱、高血压病，以及糖尿病等均不同程度参与了OA及动脉粥样硬化的发生、发展［33-35］。值得一提的是，HALL等［13］同样发现，OA患者合并心血管疾病患病率为38.4%，显著高于对照组（P = 0.01），这同样支持以上协同作用。

然而，并非每项研究都得出OA和动脉粥样硬化之间关联的相同结论。在先前的一份关于OA与冠心病的MR分析中，认为OA与冠状动脉粥样硬化之间存在保护因素［35］，在冠心病治疗上选用的β受体阻滞剂可减少软骨细胞外基质产生，进而抑制肾上腺素能系统对软骨形成的负面影响［36］，这与广义上认为两者之间存在的协同作用相违背。因此，目前关于这两类疾病是否存在相互因果关系，以及是否为促进或拮抗作用还存在较大不确定性。

本研究采用多种互补的因果推断方法，旨在探究OA与动脉粥样硬化之间的双向因果关系。研究结果显示，体内遗传预测的OA与动脉粥样硬化之间并无直接相关证据，反向MR分析同样未发现动脉粥样硬化的遗传易感性与OA存在关联。值得一提的是，在本次MR分析中，均未发现明显的异质性与多向性，增加了研究的可信程度。

与其他观察性研究相比，本研究的优势明确。首先，进一步获取了OA与动脉粥样硬化亚型的汇总统计，以计算两者的因果关系。其次，充分排除可能引起两类疾病的混淆因素，尽管SNP个数相对较少，但具有明显的优势性。最后，双向MR分析保证两者之间双向因果关系的推断。因此，本研究的MR分析结果更倾向于认为基因预测的OA与动脉粥样硬化之间没有双向风险效应关系，两者之间的关联可能是共同的风险因素所致。然而，本研究也存在一定的局限性。首先，虽然研究表明OA与动脉粥样硬化风险之间没有因果关系，但正如前文所述，OA患者常合并动脉粥样硬化的确切病理生理机制仍需进一步研究。其次，用于此MR分析的GWAS数据仅基于欧洲个体，疾病机制可能因种族而异，从而限制了结果泛化到其他地区的适用性。第三，仅排除与目前已知的潜在混杂因素相关的SNPs，还需要进一步研究可能影响OA与动脉粥样硬化之间相关性的其他未知混杂因素。即便如此，本研究仍然从遗传学角度对OA与动脉粥样硬化之间的遗传因果关系提出了新的见解，从而为未来的研究提供指导。

简而言之，MR与敏感性分析结果证据均表明，单关节或多关节炎OA与动脉粥样硬化（包括冠状动脉粥样硬化、脑动脉粥样硬化、四肢动脉粥样硬化，以及其他动脉粥样硬化）之间均没有显著的因果关系。这与以往部分观察性研究报告的正相关性相矛盾，提示这些研究可能受到肥胖、吸烟、糖尿病中混杂因素的潜在影响，而不是两者行为本身的直接因果影响。这为其他观察性研究报告的结论提供了遗传学证据，即OA不会增加动脉粥样硬化的风险，反之亦然。

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收稿日期：2024-04-02；修回日期：2024-05-27