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血浆谷氨酰胺水平与肺部疾病的关系

2025-05-09 108 上传者：管理员

摘要：目的使用孟德尔随机化分析血浆谷氨酰胺水平与肺部疾病的关系。方法数据来源于全基因组关联研究(GWAS)数据库，包括哮喘、特发性肺纤维化(IPF)、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、病毒性肺炎、细菌性肺炎、肺癌、肺腺癌、小细胞肺癌的GWAS数据。主要的孟德尔随机化分析方法是逆方差加权法(IVW)。结果血浆谷氨酰胺水平与哮喘、IPF可能存在因果关系(P<0.05);与COPD、病毒性肺炎、细菌性肺炎、肺癌、肺腺癌、小细胞肺癌无因果关系(P>0.05)。结论使用遗传变异预测血浆谷氨酰胺水平对哮喘和IPF有积极作用，提示外源性补充谷氨酰胺可能是控制哮喘和IPF的重要措施之一。

关键词：
孟德尔随机化
病原菌感染
肺部疾病
谷氨酰胺
间质性肺疾病
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呼吸系统疾病发病率､患病率､死亡率､病死率较高且疾病负担巨大,已成为我国最为突出的公共卫生与医疗问题之一｡肺部疾病主要包括各种病原菌感染､间质性肺疾病､癌症等｡谷氨酰胺(Gln)是一种α-氨基酸,是核苷酸合成的重要前体之一｡Gln广泛参与机体各种生物活动,是体内最丰富的游离氨基酸,对于中间代谢､通过组织之间氨(NH3)运输的器官间氮交换和pH稳态具有根本重要性｡Gln广泛充当多种生物合成途径的基石,这些途径包括核苷酸合成(尤其是嘌呤､嘧啶及氨基糖)及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)生成｡此外,Gln还可作为抗氧化剂和诸多其他关键生物分子的前体,对于维系细胞完整结构与功能发挥不可或缺的作用〔1〕｡随机对照试验最常用于建立因果关系〔2〕,孟德尔随机化(MR)是工具变量分析的一种应用,其目的是在非实验数据中检验因果假设｡在人类配子形成过程中,给定单核苷酸多态性(SNP)的等位基因被随机分配给卵(精子)细胞｡因此,遗传变异与潜在的环境干扰无关｡MR是一种利用遗传变异作为工具变量的研究方法,旨在探究暴露因素对特定结局之间的潜在因果关系〔3~5〕｡MR的基本原理是以全基因组关联研究(GWAS)的结果为基础,引入随机分配的遗传变异(即SNP)作为工具变量(IVs)替代暴露因素｡一方面实验对象顺序和样本的分配被随机化,随机引起的误差､处理效应和样本偏倚得以消除;另一方面使用工具变量而不是暴露因素,规避了混杂因素和反向因果的影响,大大降低结果受未知因素影响的可能性｡因此,在MR中引入IVs有助于揭示暴露因素与结果的因果关系,保证结论可靠性〔6〕｡本文拟使用MR分析Gln与肺部疾病的关系｡

1、资料与方法

1.1研究设计及数据来源利用两样本MR研究推断血浆Gln与肺部疾病的因果关系,其中血浆Gln水平作为暴露因素,而哮喘､特发性肺纤维化(IPF)､慢性阻塞性肺疾病(COPD)､病毒性肺炎､细菌性肺炎､肺癌､肺腺癌､小细胞肺癌作为结局变量｡本研究设计架构建立于三大核心假设之上,(1)相关性假设:所选取的遗传变异需直接关联于暴露因素;(2)独立性假设:所采纳的遗传变异应与暴露因素及结局变量间的所有潜在混杂因子保持独立;(3)排他性假设:除非经由暴露因素介导,否则所选择的遗传变异不应直接对结局变量产生作用〔7,8〕｡暴露和结局数据集来源于GWAS,见表1｡

表1MR研究的数据来源

1.2数据处理在GWAS数据里找到符合以下条件的SNP位点:(1)与血浆Gln水平显著相关;(2)所包括的SNP之间不存在连锁不平衡(LD),因为强LD的存在可能导致偏倚结果(R2<0.001且区域范围=10000kb)〔9〕｡在针对结局变量的GWAS数据集中,选出与暴露因素具有显著相关性的SNP〔10〕｡在进行MR分析前,还需进行对等位基因方向进行协同;根据效应等位基因频率(EAF)大小,剔除不能判断方向的回文SNP;剔除不兼容的SNP｡

1.3MR分析采用经典的逆方差加权法(IVW)和辅助的MR-Egger回归法､加权中位数法和加权模式进行两样本MR分析｡本研究主要采用IVW行两样本MR分析,因为IVW已被证明是MR中研究因果效应最有效和无偏的方法之一〔11〕｡如果IVW方法结果显著,即使其他方法结果不显著,且未鉴别出多效性和异质性,只要其他方法的beta值方向相同,也可视为阳性结果〔12〕｡使用CochranQ统计量评估异质性;水平多效性检测:使用MR-Egger截距进行判断MR分析有效性〔13〕;敏感性检测:使用留一法,逐个删除SNP,对剩余SNP进行MR分析,评价单个SNP对暴露和结局的关系是否产生影响｡所有统计分析采用R软件(4.3.1版本)的TwoSampleMR软件包(0.6.4)版本完成｡

2、结果

分别筛选出31､31､31､31､31､31､30和29个SNPs作为评估血浆Gln水平与哮喘､IPF､COPD､细菌性肺炎､病毒性肺炎､肺腺癌､肺癌和小细胞肺癌因果关联的工具变量｡哮喘IVW提示其与Gln之间可能存在因果关联,辅助的MR-Egger回归法,加权中位数法和加权模式同样也支持这一结果｡IPFIVW提示其与Gln之间可能存在因果关联,然而辅助的MR-Egger回归法,加权中位数法和加权模式并不支持这一结果,同样符合阳性结果｡COPD､病毒性肺炎､细菌性肺炎､肺癌､肺腺癌､小细胞肺癌IVW､病毒性肺炎､细菌性肺炎､肺癌､肺腺癌､小细胞肺癌提示血浆Gln水平与上述疾病之间没有因果关系,辅助的MR-Egger回归法,加权中位数法和加权模式同样支持这一结果,见图1~3｡

图1血浆Gln水平与肺部疾病MR分析的散点图

图2谷氨酰胺对疾病的留一法敏感性

图3血浆Gln与不同肺部疾病因果关系森林图

3、讨论

Gln是一种含量丰富的非必需氨基酸,参与多种细胞过程,包括能量和核苷酸合成〔14〕､维持酸碱平衡及氧化还原状态〔15,16〕､葡萄糖代谢〔17〕｡在应激状态下,Gln分解大于合成,导致血浆Gln水平下降｡肺部疾病通常伴有炎症反应失调〔18~20〕､氧化应激〔20〕和分解代谢状态〔21〕,因此会出现对Gln需求增加｡哮喘作为一种复杂的异质性疾病,其显著标志在于慢性气道炎症反应与气道高反应性｡在全球范围内,哮喘位列最为普遍的慢性疾病行列之中,其影响深远且广泛｡在小鼠哮喘效应模型中,Gln展现出一种作用机制,即通过下调胞质磷脂酶(cPL)A2活性来抑制辅助性T细胞(Th)2型哮喘的关键病理特征,包括气道嗜酸性粒细胞浸润增加､黏液分泌增多､气道2型细胞因子释放及气道高反应性等〔22〕｡其次,哮喘患者呼出一氧化氮(eNO)水平很高,NO可与O2或超氧化物自发反应形成毒性亚硝化应激性物质,损伤气道,Gln参与生成还原当量,用以还原炎症过程中生成的超氧化物等〔16,23〕｡另外研究显示,气道pH失调是哮喘病理学的另一个方面,气道酸化增强氧自由基和氮氧化物的细胞毒性从而损伤气道,Gln在谷氨酰胺酶的作用下,经催化反应释放出NH3,这一过程有效起到中和酸性的作用,从而维持气道生理环境的酸碱平衡〔24〕｡本研究结果进一步支持Gln对哮喘防治的积极影响｡

IPF是一种进行性肺病,死亡率高,其特征是进行性肺部纤维化和普通间质性肺炎(UIP)的组织学表现〔25〕｡异常上皮损伤和损伤后修复的恶性循环是进行性肺纤维化发病机制的关键〔26,27〕｡在正常肺部,Ⅰ型肺泡上皮细胞是主要的肺泡上皮细胞,伴有相对较少的Ⅱ型上皮细胞｡上皮细胞损伤和基底膜损伤是肺泡腔内发生纤维化的必要条件〔28〕｡肺泡上皮损伤后,Ⅱ型肺泡上皮增殖并分化为Ⅰ型肺泡上皮,在正常情况下,负责受损肺泡的再上皮化〔29〕｡Gln经由谷氨酰胺酶(GLS)的催化作用转化为谷氨酸,随后在谷氨酸脱氢酶的催化下,GLS进一步转化为α-酮戊二酸(KG)｡此后,α-KG进入三羧酸(TCA)循环中,这一过程构成了Gln的代谢路径〔30〕｡α-KG是一种重要的代谢产物,在不同代谢和细胞途径中具有关键作用〔23,31〕｡研究表明,Gln代谢影响Ⅱ型肺泡上皮细胞的增殖和分化,抑制Gln代谢过程中相关酶后,从而抑制Ⅱ型肺泡上皮的增殖和分化｡由此表明,Gln代谢是肺损伤时肺泡上皮再生所必需的〔32〕｡在急性肺损伤小鼠模型中,胃内管饲丙氨酰谷氨酰胺较等量无菌蒸馏水的小鼠肺泡灌洗液中调节性T细胞和白细胞介素(IL)-2水平升高,Th17受到抑制,从而减轻急性肺损伤｡低纤维化相关基因表达和组织学结果表明,间质炎症和肺损伤在Gln治疗中不太严重〔33〕｡在肺纤维化的病理进程中,成纤维细胞被视作核心参与者,其特征性表现为成纤维细胞及细胞外基质蛋白过度沉积,进而引发肺组织结构重塑与功能受损〔34~36〕｡在脂多糖(LPS)诱导肺损伤小鼠中,提前雾化吸入Gln可以消除支气管和脉管系统中LPS诱导的胶原沉积,但不可逆转LPS导致的肺纤维化〔37〕｡然而研究显示,肺成纤维细胞的分化和活化需要Gln分解,如分解减少则诱导成纤维细胞凋亡,由此可减轻肺部组织纤维化〔38,39〕｡从表观遗传机制方面,Gln代谢减少使成纤维细胞对FasL诱导的凋亡敏感,抑制抗凋亡基因表达〔40〕｡因此抑制Gln分解可减缓肺纤维化进展｡Gln代谢对IPF的不同作用可能是在疾病的不同发展阶段进行｡在肺损伤阶段,Gln代谢可以减轻肺损伤,促进损伤修复从而预防肺纤维化的进一步发生｡在肺纤维化阶段,Gln代谢可以促进纤维化进展｡因此,关于血浆Gln对IPF的作用,仍需未来进一步临床研究｡

COPD与血浆Gln水平目前存在相互矛盾的结果｡研究显示,在COPD患者中,血浆Gln水平降低〔41,42〕;也有研究表明,Gln水平升高〔43〕｡Gln对癌症的作用在相关研究中同样存在相互矛盾的结果｡有研究支持Gln在肿瘤细胞生长与增殖方面有积极作用,阻断Gln代谢能提高抗癌免疫力〔44,45〕｡另有研究显示,恶性肿瘤晚期阶段时,常伴随肌肉组织中Gln显著消耗与体质量下降｡外源性补充Gln被证实能够支持肌肉内部Gln代谢的正常进行,同时并未观测到其对肿瘤细胞生长的促进作用〔46〕｡在接受放疗的肺癌患者,口服Gln可降低急性放射性食管炎的严重程度〔47〕｡血浆Gln在肺炎中的作用也存在争议,研究发现,在多发性骨髓瘤患者中,肠道肺炎克雷伯杆菌合成的Gln可刺激肺部正常成纤维细胞合成肿瘤坏死因子(TNF)-α,从而导致肺炎发病率升高〔48〕｡另外一项研究发现,在肠内营养补充Gln在预防呼吸机相关性肺炎方面可能并不优于未补充Gln〔49〕｡另有研究发现,在添加Gln的完全肠内营养中可保护呼吸道免疫力,在接受肠内营养添加Gln的多发性创伤患者肺炎发生率降低〔50,51〕｡综上,血浆Gln的作用在上述疾病中存在相互矛盾的结果｡本研究未发现血浆Gln水平与COPD､肺癌､细菌性肺炎､病毒性肺炎､肺腺癌､小细胞肺癌之间的因果关系｡

由于人口老龄化加速､大气污染等社会问题,呼吸系统疾病的发病率和死亡率增加｡呼吸道疾病通常伴随增强的炎症反应和分解代谢活动〔52〕｡外源性Gln的管理可能有益于呼吸系统疾病｡在肺部疾病中,分解代谢状态下,Gln的分解大于合成〔53〕｡Gln是核苷酸､氨基酸､蛋白质合成的前体物质,因此有利于组织损伤修复,同时在快速增殖细胞中发挥积极作用,因此可能促进肿瘤细胞的生长和增殖〔44,54〕｡补充外源性Gln可增强淋巴细胞和巨噬细胞功能,因此在肺部炎症性疾病中可能发挥有利作用〔55〕｡同时Gln可刺激肺部正常成纤维细胞TNF-α生成,从而导致肺炎发生率升高〔48〕｡因此关于血浆Gln水平对肺部疾病的影响需待进一步研究｡本研究结果提示补充外源性Gln在哮喘和IPF防治中的重要性,为临床上哮喘和IPF的治疗策略提供理论依据｡本研究仍有以下局限性,(1)尽管已采用多种方法来减少混杂因素干扰,但实际中可能存在潜在且尚未被识别的混杂因素,或许难以完全规避;(2)由于欧洲GWAS数据库更加完备,因此可能不适用于其他种族群体｡

参考文献:

6孙巍巍,李丹,谢天,等.血压与心血管疾病的关系:一项孟德尔随机化研究〔J〕.生物医学转化,2024;5(1):92-100.

10刘松,马建岭,史利卿,等.基于两样本孟德尔随机化分析哮喘与胃食管反流病因果关系的研究〔J〕.华西医学,2024;39(4):546-52.

基金资助:吉林省医疗卫生人才专项项目(JLSWSRCZX2023-54);吉林省发展和改革委员会(2023C029-7);

文章来源:杨春霞,李彤彤,于振香,等.血浆谷氨酰胺水平与肺部疾病的关系[J].中国老年学杂志,2025,45(09):2065-2070.