基于兩樣本孟德爾隨機化探究甲狀腺功能減退癥與膝骨關節炎的因果關系

徐小東 王配婕 謝文鵬 李琦 傅永升 王衛國

【摘 要】目的：通過兩樣本孟德爾隨機化方法研究甲狀腺功能減退癥與膝骨關節炎發病風險的因果關系。方法：獲取甲狀腺功能減退癥和膝骨關節炎的全基因組關聯研究（GWAS）數據并進行匯總，兩者的數據均來自歐洲人群；將單核苷酸多態性（SNP）作為工具變量（IVs）并選擇敏感的SNPs進行分析，通過逆方差加權法（IVW）、加權中位數法（WME）、MR-Egger回歸法進行兩樣本孟德爾隨機化分析，將OR值作為標準評估甲狀腺功能減退癥與膝骨關節炎發病風險的因果關系，通過異質性和多效性檢驗對得到的結果進行驗證。結果：共納入27個SNPs位點作為IVs，IVW法的OR = 4.737，95%CI = ［1.038，20.524］，P = 0.038，表明甲狀腺功能減退癥和膝骨關節炎之間有因果關系。MR-Egger回歸方程截距項為0.001 5（P = 0.775），表明該結果不受基因多效性的影響。結論：甲狀腺功能減退癥與膝骨關節炎存在因果關系，且膝骨關節炎的發病風險隨著甲狀腺功能減退癥發病風險增加而增加。

【關鍵詞】 膝骨關節炎；甲狀腺功能減退癥；孟德爾隨機化研究；全基因組關聯分析；工具變量；單核苷酸多態性；因果關系

Exploring the Causal Relationship Between Hypothyroidism and Knee Osteoarthritis Based on a Two Sample

Mendelian Randomization Method

XU Xiao-dong，WANG Pei-jie，XIE Wen-peng，LI Qi，FU Yong-sheng，WANG Wei-guo

【ABSTRACT】Objective：To investigate the causal relationship between hypothyroidism and the risk of knee osteoarthritis using a two sample Mendelian randomization method.Methods：Genome Wide Association Study（GWAS）data on hypothyroidism and knee osteoarthritis were obtained and summarized，both of which were from the European population.Single Nucleotide Polymorphisms（SNPs）were used as instrumental variables（IVs）and sensitive SNPs were selected for analysis.Two sample Mendelian randomization analysis was performed using inverse variance weighting（IVW），weighted median（WME），and MR Egger regression.OR values were used as criteria to evaluate the causal relationship between hypothyroidism and the risk of knee osteoarthritis.The results were validated through heterogeneity and pleiotropy tests.Results：A total of

27 SNPs loci were included as IVs，with an OR = 4.737，95%CI =［1.038，20.524］and P = 0.038 for the IVW method，indicating a causal relationship between hypothyroidism and knee osteoarthritis.The intercept term of the MR-Egger regression equation was 0.001 5（P = 0.775），indicating that the result is not affected by gene pleiotropy.Conclusion：There is a causal relationship between hypothyroidism and knee osteoarthritis，and the risk of knee osteoarthritis increases as the risk of hypothyroidism increases.

【Keywords】 knee osteoarthritis;hypothyroidism;mendelian randomization research;whole genome association analysis;instrumental variables;single nucleotide polymorphism;causal relationship

膝骨關節炎（knee osteoarthritis，KOA）使患者生活質量下降，社會活動參與能力下降。在我國，本病的發病率隨著年齡的增長而顯著增加，并且女性發病率大于男性［1］。在所有膝關節疼痛的人群中，KOA患病率接近70%，近25%的KOA患者會遭受嚴重膝關節疼痛的折磨［2-3］。

甲狀腺功能減退癥是比較常見的甲狀腺功能障礙疾病，女性比男性患病率更高［4］。有研究揭示甲狀腺功能障礙疾病影響某些骨科疾病的發

生［5-8］，抗甲狀腺過氧化物酶抗體指標較高的患者膝關節軟骨鈣化程度更高［9］，有更大的概率患KOA。除KOA外，甲狀腺功能異常對骨質疏松癥等其他退行性骨關節疾病存在影響［10-12］。

全基因組關聯分析（GWAS）將人類基因組中的單核苷酸多態性（SNP）作為分子遺傳標記物，進行全基因組水平上的對照分析或相關性分析，通過比較發現影響復雜性狀的基因變異。孟德爾隨機化（MR）［13］使用GWAS數據分析不同暴露和結果之間的因果關系，所以基因和疾病之間的關聯不會受到環境等常見混雜因素的干擾，使效應估計值更接近真實情況。MR分析有效克服了傳統隨機對照研究的局限性，是分析甲狀腺功能減退癥與KOA之間因果關系的可行方法。本研究進行兩樣本MR分析，使用GWAS探索甲狀腺功能減退癥與KOA之間的因果關系。

1 資料與方法

1.1 研究設計 本研究使用兩樣本MR分析甲狀腺功能減退癥與KOA的因果關系，將甲狀腺功能減退癥作為暴露因素，利用與甲狀腺功能減退癥相關的SNPs作為工具變量（IVs），將KOA作為結局變量，分別進行異質性檢驗、多效性分析、留一法分析，以確保結果的可靠性。MR分析主要基于3個假設（見圖1）［14］：IVs與暴露之間有很強的相關性，所選的IVs與混雜因素相互獨立，IVs只能通過暴露影響結局（無水平多效性）。在本研究中，即甲狀腺功能減退癥相關的SNPs與KOA之間相關性強，與混雜因素相互獨立，且只能通過甲狀腺功能減退癥影響KOA的發生。

1.2 資料來源 通過IEU Open GWAS項目（https：//gwas.mrcieu.ac.uk/）搜索獲得甲狀腺功能減退癥和KOA的GWAS數據［15］。甲狀腺功能減退癥的數據來源于英國布里斯托爾大學的MRC綜合流行病學研究所的IEU GWAS數據庫，共包含463 010個樣本量，有9 851 867個SNPs；KOA數據由Tachmazidou I為作者收集，包含403 124個樣本量，有29 999 696個SNPs。以上數據均來自歐洲人群，見表1。

1.3 工具變量 為了選擇滿足MR 3個假設的SNPs，參照千人全基因組，執行如下操作。篩選與甲狀腺功能減退癥差異有統計學意義（P < 0.05）的SNPs，為了排除SNPs之間的連鎖不平衡（LD），對基因組數據進行處理，將R2閾值定為0.001，千堿基對設置為10 000 kb。為了消除工具變量之間的水平多效性，使用工具［16-17］（http：//www.phosanner.medschl.cam.ac.uk/）查找受SNPs強影響的表型，并且剔除與結局相關的SNPs。得到與甲狀腺功能減退癥明顯相關的有效SNPs作為IVs。

1.4 MR分析 本研究中的雙樣本MR數據分析基于R軟件中的TwoSampleMR程序包。首先使用逆方差加權［18］（IVW）作為主要方法初步評估甲狀腺功能減退癥與KOA之間的因果關系，這個方法的可靠性取決于IVs的多效性。此外，還選擇了MR-Egger回歸和加權中位數（WME）作為補充方法［19-20］，如果所有納入的SNP都符合有效的IVs假設，那么IVW可以被認為是最可靠的結果［21］。所有結果均以OR值和95%置信區間（95%CI）表

示，暴露與結果表型之間的相關性被認為差異有統計學意義（P < 0.05）。統計強度F值設定為 > 10，計算公式為F = β2exposure = SE2exposure［22］。

1.5 敏感性分析 MR結果需要利用敏感性分析檢測結論是否穩健。由于兩樣本MR的暴露和結局分別來自不同的樣本，可能存在人群不同等異質性，因此需要通過異質性檢驗說明。異質性檢驗目的是檢驗每一個IVs之間有無差異，不同IVs之間的差異越大代表這些IVs的異質性就大，P > 0.05表示不存在異質性；多效性檢驗［23］主要用于檢驗納入研究的IVs之間是否存在水平多效性，常用MR-Egger法的截距項表示，如果該值無限接近于0，說明選擇的IVs之間不存在水平多效性；逐個剔除檢驗法［24］是指每次分析剔除一個IVs，計算剩余IVs的MR結果，觀察效應值是否發生較大改變，從而估計單個SNP對因果關聯的影響。如果剔除某個IV后，其他IVs估計出來的MR結果和總結果差異很大，說明MR結果對該IVs敏感。

2 結 果

2.1 工具變量 經過篩選之后，排除有連鎖不平衡的IVs，被選為與甲狀腺功能減退有效IVs的SNPs為27個，見表2。所有用作IVs的SNP的F值均> 10（30.418～290.893），表明本研究所包括的IVs均有效，受到弱工具變量偏倚影響較小。

2.2 甲狀腺功能減退癥與KOA的MR分析 使用IVW法、MR-Egger法和WME法評估甲狀腺功能減退癥和KOA風險之間是否存在因果關系。根據IVW結果，研究發現甲狀腺功能減退癥與KOA呈正相關，甲狀腺功能減退癥可增加KOA的風險（OR = 4.737，95%CI = ［1.038，20.524］，P = 0.038），見表3、圖2；MR-Egger法和加權中位數法比較，差異無統計學意義（P > 0.05）。但3種方法得到的效應方向均為甲狀腺功能減退癥可增加KOA的發病風險，見圖3。

2.3 敏感性分析 異質性檢驗分別采用IVW法的q檢驗，P = 0.828 ﹥ 0.05，表示SNPs之間不存在異質性。多效性分析MR-Egger的egger_intercept截距項為0.001 5，無限接近于0，P = 0.775 ﹥ 0.05，表示不存在多效性。漏斗圖顯示納入的所有SNPs基本對稱，代表因果關聯的點對稱分布，說明IVs之間差異較小，表明因果關聯受到潛在偏倚影響的可能性較小，見圖4。敏感性分析采用留一法逐一排除各SNPs后，未發現對因果關聯估計值影響較大的SNPs，見圖5。

3 討 論

KOA主要特征是膝關節軟骨丟失，軟骨下骨改變，滑膜炎癥以及半月板變性［25］，影像學表現為關節間隙變窄，邊緣骨贅形成。本病可導致膝關節疼痛、晨僵、腫脹、僵硬、畸形。

研究發現，甲狀腺功能減退癥與各種運動系統疾病存在某些聯系，甲狀腺癌可引起局部性肌張力障礙，在甲狀腺功能減退癥患者服用安定類藥物后，藥物可導致運動障礙［26-27］。有學者發現，甲狀腺激素的異常信號轉導可以增加骨關節炎和其他退行性骨關節疾病的發病風險［11-12］。研究表明，膝關節周圍軟骨內甲狀腺激素受體表達情況與KOA有較大的聯系［28］。在增生的骨贅中，尤其是軟骨內的成骨部位廣泛分布著甲狀腺α1、變異型甲狀腺α2、甲狀腺β1和甲狀腺β2的mRNA基因。在骨改建部位，超過90%的成骨細胞表達甲狀腺α1基因，約75%的細胞表達變異型甲狀腺α2基因和甲狀腺β1基因。甲狀腺受體基因的表達在關節骨贅和破骨細胞中的分布與其受體蛋白的表達相似；但甲狀腺受體基因在破骨細胞和軟骨細胞中高表達，與其受體蛋白的表達相反。在KOA患者的膝關節軟骨組織中，脫碘酶的存在可以調節局部甲狀腺激素水平，該化合物可以降低關節軟骨周圍甲狀腺激素的濃度［29］。

大量實驗研究證明，骨骼對甲狀腺激素敏感，甲狀腺激素在骨和關節軟骨中的生物學作用也越來越受到人們的關注。但是，甲狀腺功能減退癥與KOA之間正向因果關系背后的具體生物學機制仍不清楚。既往研究發現，甲狀腺激素是骨代謝的重要調節劑，對骨重塑至關重要，甲狀腺激素分泌不足或過量都可能導致骨代謝紊亂［11，30］。

本文采用雙樣本MR研究甲狀腺功能減退癥與KOA之間的因果關系，證明甲狀腺功能減退癥與KOA之間存在正向因果關系。甲狀腺功能減退癥會增加患KOA的風險。本研究為預測甲狀腺功能減退癥患者KOA的發生、早期預防和延緩病情進展提供了建議，但是，研究結果還需要通過基礎實驗進一步證實。

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收稿日期：2023-09-05；修回日期：2023-10-10