孟德尔随机化研究揭示炎症衰老生物标志物在视网膜血管复杂性、心血管疾病与长寿中的因果作用

《SCIENCE ADVANCES》：Mendelian randomization study implicates inflammaging biomarkers in retinal vasculature, cardiovascular diseases, and longevity

本研究针对人口老龄化背景下衰老生物学机制不清的问题，通过大规模全基因组关联研究（GWAS）和孟德尔随机化（MR）分析，揭示了视网膜血管分形维数（Df）作为血管衰老标志物与炎症生物标志物（如MMP12、IgG–Fc RecIIb）的因果关联，发现这些标志物通过影响Df介导心血管疾病风险和寿命，为衰老相关疾病的防治提供了新靶点。

　　

随着全球人口老龄化进程加速，深入理解衰老的生物学机制已成为公共卫生领域的优先课题。衰老伴随着生理系统复杂性的渐进性丧失，使机体对环境压力的抵抗力下降，这种脆弱性的增加最终导致晚年疾病、残疾和死亡风险显著升高。因此，寻找能够反映"系统复杂性"的生物标志物签名，对于评估机体对抗衰老的整体韧性至关重要。

在这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究中，科学家们将目光投向了视网膜血管这一独特窗口。视网膜血管为观察人体循环系统提供了便捷的无创成像视角，不仅能反映视网膜本身的血管健康，还能洞察其他器官的血管状态。通过视网膜照片自动量化血管密度和整体复杂性——即测量其血管分形维数（D_f），数值越高代表分支模式越复杂——为评估血管衰老提供了强大工具。早期证据表明，与衰老相关的视网膜血管变化会导致D_f测量值降低，而近期研究更有力地证明，视网膜血管D_f降低与多种年龄相关疾病有关，包括高血压、2型糖尿病、冠状动脉疾病、中风和认知能力下降。

然而，D_f与心脏代谢疾病之间的因果关系及其方向性仍需进一步研究，潜在的生物分子机制也很大程度上尚未探索。为了解决这些知识空白，研究人员开展了一项综合性多模态研究，旨在通过结合D_f测量与高通量遗传和血浆蛋白质组生物标志物，揭示参与衰老过程的通路。

研究人员利用三个大型流行病学队列——加拿大老龄化纵向研究（CLSA）、苏格兰泰赛德糖尿病审计与遗传学研究（GoDARTS）和英国生物样本库（UKBB）——对74，434名欧洲血统个体的视网膜D_f进行了大规模全基因组关联研究（GWAS）荟萃分析。他们采用前瞻性城乡流行病学（PURE）研究的1159种循环蛋白生物标志物的遗传决定因素，通过孟德尔随机化（MR）方法与D_f相结合，以识别D_f的候选生物标志物，并研究这些标志物是否也参与D_f与心血管疾病和长寿之间的联系。此外，还进行了通路富集分析，以更深入理解已识别生物标志物在系统分子网络中的相互作用。

主要技术方法

研究关键技术包括：基于加拿大老龄化纵向研究（CLSA）、苏格兰泰赛德糖尿病审计与遗传学研究（GoDARTS）和英国生物样本库（UKBB）三大队列的大规模全基因组关联研究（GWAS）荟萃分析；使用前瞻性城乡流行病学（PURE）研究队列的蛋白质组学数据进行的孟德尔随机化（MR）分析；蛋白质-蛋白质相互作用网络构建和通路富集分析；共定位分析确定共享遗传信号；单细胞表达定量性状位点（sc-eQTL）分析解析细胞类型特异性。

GWAS荟萃分析发现与微血管分支复杂性相关的新基因位点

研究人员对来自CLSA、GoDARTS和UKBB队列的74，434名欧洲血统个体的视网膜D_f进行了GWAS荟萃分析。结果显示，在染色体14上的DAAM1基因附近发现了一个新的显著相关位点（rs2295848），同时复制了先前GWAS研究中报告的四个位点，这些位点靠近HERC2、OCA2、SLC45A2和SLC12A9等基因。这些基因先前与视网膜D_f、色素沉着、动脉血压和静息心率等多种性状相关。基因水平分析显示，D_f相关基因在黑素素生物合成和炎症反应通路中富集。遗传相关性分析发现，D_f与C反应蛋白、动脉粥样硬化、冠状动脉疾病和中风呈负相关，而与寿命呈正相关。

MR和共定位分析证明免疫和炎症生物标志物与微血管分支复杂性存在因果关联

通过双向双样本MR分析筛选1159种血浆生物标志物，发现八种生物标志物与D_f存在显著的因果关联。遗传预测的免疫球蛋白G–Fc受体IIb（IgG–Fc RecIIb）、骨髓基质抗原1（BST1）、白细胞免疫球蛋白样受体亚家族B成员2（LILRB2）、白介素-16（IL-16）、基质金属蛋白酶-12（MMP12）和对氧磷酶/芳基酯酶2（PON2）循环水平与D_f呈正相关，而碱性磷酸酶胎盘型（ALPP）和程序性细胞死亡1配体2（PDL2）与D_f呈负相关。按糖尿病状态分层分析显示，部分关联在不同人群中存在差异。反向MR分析未发现D_f对循环生物标志物水平的反向因果关系。共定位分析证实，循环IgG–Fc RecIIb水平（由FCGR2B基因编码）和视网膜D_f共享一个共同的因果遗传变异。

全表型组MR揭示生物标志物、心血管疾病、长寿与微血管分支复杂性之间的联系

全表型组MR分析考察了D_f及相关生物标志物与47种心脏代谢结局的关联。发现较高的遗传预测IgG–Fc RecIIb水平与较长父母寿命和较低低密度脂蛋白胆固醇水平相关；较高MMP12水平与较低中风风险（特别是缺血性中风）、外周动脉疾病、2型糖尿病和冠状动脉疾病风险相关；较高LILRB2水平与较低高密度脂蛋白胆固醇和较高甘油三酯水平相关。多变量MR分析证实，IgG–Fc RecIIb对寿命的影响有34%由D_f介导，MMP12对心血管结局的影响有9-15%由D_f介导。

微血管分支复杂性相关生物标志物的网络分析证实免疫和炎症通路富集

蛋白质-蛋白质相互作用网络分析显示，D_f相关生物标志物在免疫和炎症反应通路中显著富集，如细胞因子-细胞因子受体相互作用通路。对视网膜组织中表达的分析发现，IgG–Fc RecIIb、PON2和IL-16三种MR显著生物标志物在视网膜组织中表达，并与开放染色质区域相关，涉及免疫和代谢网络。

研究结论与意义

这项研究通过迄今为止最大规模的视网膜血管性状遗传研究，确定了D_f的一个新基因位点，并复制了七个先前已识别的变异位点。研究证实了D_f与全身炎症、心血管疾病、中风和寿命之间的遗传相关性，并识别出循环MMP12和IgG–Fc RecIIb水平是连接D_f与心血管和寿命结局的关键介质。

特别值得注意的是，IgG–Fc RecIIb和MMP12作为炎症衰老（inflammaging）过程的关键介质，将较低的微血管分支复杂性与较高的心血管疾病风险和较短的寿命联系起来。IgG–Fc RecIIb是一种在免疫细胞中密集表达的受体，在免疫反应和抗病毒活性中发挥作用；MMP12则通过调节细胞迁移和信号传导，在动脉粥样硬化性心血管疾病发病机制中发挥作用。

这些发现表明，视网膜D_f可能是一种便捷的标记物，用于评估与衰老相关的炎症状态（即炎症衰老），较低的视网膜D_f可能表明较高的炎症衰老状态。该研究为针对IgG–Fc RecIIb和MMP12的策略铺平了道路，通过减轻年龄相关的免疫和炎症通路来促进长寿，这些通路参与心血管疾病的发生发展。

尽管这是迄今为止最大规模的视网膜血管性状遗传研究，但研究人员指出，为了验证结果并将其推广到有效的临床结局，未来研究必须包括非欧洲血统的个体。此外，虽然测量了1159种选定的循环蛋白，但这仍然只代表人类蛋白质组中约20，000种蛋白质的一小部分。从方法学角度看，MR依赖于几个无法完全评估的假设，但研究人员采用了多种方法进行验证，增强了结果的可靠性。

总之，这项研究扩展了我们对衰老过程背后生物通路的理解，并为预防和治疗策略提供了靶点信息，特别是在针对炎症衰老过程干预心血管疾病风险和延长健康寿命方面具有重要转化价值。