探索血液代谢物与慢性牙周炎之间的因果关系：来自遗传因果分析的见解

《Journal of Cellular and Molecular Medicine》：Exploring the Causal Relationship Between Blood Metabolites and Chronic Periodontitis: Insights From Genetic Causal Analysis

慢性牙周炎与血代谢物的双向因果关系研究：采用孟德尔随机化分析，基于1400种血代谢物和FinnGen联盟的4784例牙周炎数据，发现60种代谢物与牙周炎显著相关（如2'-脱氧尿苷、N-硬脂酰-鞘氨醇），涉及嘧啶代谢、氨基酸代谢等4条通路；反向分析显示牙周炎可改变47种代谢物水平（如 furaneol硫酸），涉及维生素B6代谢、甘油磷脂代谢等4条通路。该研究首次系统性揭示代谢通路在牙周炎发病中的潜在机制，为早期诊断和代谢干预提供新靶点。

　　本研究通过一种称为孟德尔随机化（Mendelian randomisation, MR）的方法，探讨了特定血液代谢物与慢性牙周炎之间可能存在的双向因果关系。研究采用双样本MR分析，从包含8299名参与者的一项全基因组关联研究（GWAS）中获取了1400种血液代谢物的数据，而慢性牙周炎的数据则来自芬兰基因组联盟（FinnGen consortium），包含4784名病例和272,252名对照组。研究的主要分析采用了逆方差加权（IVW）方法，以评估这些代谢物对牙周炎的潜在因果效应。此外，还对IVW方法识别出的代谢物进行了代谢通路富集分析，以揭示其可能的生物学机制。

通过IVW和敏感性分析，研究发现了60种与慢性牙周炎显著相关的血液代谢物。代谢通路分析表明，这些代谢物可能通过四个主要通路影响慢性牙周炎的发生和发展：嘧啶代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢以及核黄素代谢。与此同时，反向MR分析显示，慢性牙周炎可能改变47种血液代谢物的水平。通路分析进一步揭示，牙周炎可能通过维生素B6代谢、醚脂代谢、甘油磷脂代谢和咖啡因代谢等四个通路影响血液代谢物的水平。这些结果不仅提供了关于牙周炎发病机制的新见解，还为早期检测和监测牙周炎提供了潜在的血液生物标志物。

牙周炎是一种常见的慢性炎症性疾病，影响全球约50%的人口。其在晚期可能导致牙齿松动和脱落，从而影响口腔功能、外观和整体健康。因此，早期识别和预防牙周炎具有重要意义。代谢物是人体在食物、化学物质或组织分解过程中产生的物质，用于生成能量并维持生理功能。代谢组学作为对所有代谢物的全面测量，能够检测由遗传变异或生理病理条件引起的代谢物水平和组成的改变。近年来，研究已经表明系统代谢状态与口腔健康之间存在显著关联。例如，肥胖不仅与多种系统性疾病相关，还与口腔炎症的严重程度增加有关。研究发现，肥胖儿童的唾液和血浆中羟脯氨酸水平显著升高，并与牙龈炎的加重有关。这些发现提示，系统代谢状态可能通过类似机制影响牙周炎的进展。

尽管牙周炎的发病机制尚未完全阐明，已有研究指出其与代谢异常有关。代谢组学分析通过识别关键代谢物作为生物标志物，增强了我们对牙周疾病复杂通路的理解，拓展了我们对微生物-宿主相互作用的认知。深入理解这些相互作用对于揭示牙周疾病及其对全身健康潜在影响的发病机制至关重要。通过筛选血液生物标志物，可以识别复杂多因素生化通路中的潜在变化，从而为疾病病因的代谢物因果作用提供线索。这种研究方法有助于在出现临床症状之前识别牙周炎的异常情况，从而实现早期检测和预防。

鉴于目前对血液代谢物与牙周炎之间因果关系的理解有限，本研究首次利用包含1400种血液代谢物的数据集，系统评估了这些代谢物与慢性牙周炎之间的因果关系，为识别牙周炎相关代谢物提供了理论基础。我们相信，本研究不仅在牙周炎领域具有重要意义，也将引起对牙周炎、系统性疾病和代谢相关问题之间联系感兴趣的读者的关注。

本研究采用的双样本MR分析方法基于三个基本假设：第一，遗传变异与暴露因素（即代谢物）之间存在强关联；第二，遗传变异不与任何混杂因素相关；第三，遗传变异仅通过暴露因素影响疾病结果。与传统的观察性研究相比，MR分析利用了在受孕时确定的遗传变异，从而不受环境暴露、生活方式或疾病进展的影响，这使得MR方法特别适合用于研究如血液代谢物与慢性牙周炎之间的关系，因为这些关系在观察性研究中已被发现，但因果关系尚不明确。因此，本研究中采用MR分析具有科学依据和必要性，能够克服传统研究设计的局限性，并为阐明血液代谢物在牙周炎发病机制中的潜在作用提供坚实的理论支持。

在研究中，我们发现了一些关键的代谢物，如2′-脱氧尿苷、N-硬脂酰鞘氨醇（d18:0/18:0）和麦芽三糖，它们的血液水平升高与慢性牙周炎风险增加有关。这表明，具有遗传易感性的个体，其血液中这些代谢物水平升高可能增加患牙周炎的风险。N-硬脂酰鞘氨醇（d18:0/18:0）作为一种鞘脂代谢物，已被其他研究涉及。一项关于922名参与者血浆中3-羧基-4-甲基-5-丙基-2-呋喃丙酸（CMPF）水平的横断面研究发现，CMPF水平升高与牙龈炎症减轻和牙周炎风险降低相关，提示CMPF可能对牙周健康具有保护作用。然而，该研究方法学存在局限，更适合探索潜在关联而非确立因果关系。通过MR方法，我们展示了N-硬脂酰鞘氨醇（d18:0/18:0）水平升高可能预示慢性牙周炎风险增加。由于CMPF和N-硬脂酰鞘氨醇（d18:0/18:0）均为脂质代谢物，它们可能通过共同的代谢通路、相似的生物效应或饮食习惯相互关联。因此，进一步研究这些关联及其机制是必要的。

此外，我们还发现2′-脱氧尿苷水平升高可能与牙周炎的发展有关。2′-脱氧尿苷是嘧啶代谢的产物，主要参与DNA的合成和修复过程。一项针对牙周病患者唾液、血浆和其他体液样本的代谢组学研究发现，2′-脱氧尿苷水平与牙周炎存在关联，提示其可能在牙周炎的进展中发挥重要作用。此外，2′-脱氧尿苷还与细胞增殖和炎症反应相关，这与慢性炎症状况一致。一项最近的横断面研究指出，肥胖人群中氨基酸代谢增加和脂质及辅因子/维生素代谢减少可能增加牙周炎风险。这一发现与我们研究结果存在差异，强调了进一步研究的必要性。2′-脱氧尿苷作为嘧啶核苷酸从头合成途径中的关键中间产物，由尿嘧啶酸和磷酸核糖焦磷酸（PRPP）生成。作为尿苷单磷酸（UMP）的直接前体，2′-脱氧尿苷为RNA和DNA合成提供了基础。2′-脱氧尿苷代谢异常，通常表现为2′-脱氧尿苷5′-磷酸，可能直接影响细胞增殖和基因组稳定性。一项大规模代谢组学研究结合22年随访，发现2′-脱氧尿苷水平升高与2型糖尿病患者的冠心病和心血管疾病风险增加显著相关，表明其可能成为一种新的生物标志物。其潜在机制可能涉及嘧啶代谢稳态的破坏或直接参与炎症通路，从而加剧血管内皮损伤。尽管近期关于2′-脱氧尿苷在人类疾病中的研究主要集中在其催化机制、基因工程菌株的构建及其在嘧啶生物合成中的应用，但关于其在疾病中的转化意义的研究仍较为有限。

对于慢性牙周炎对血液代谢物的影响，我们的反向MR分析表明，该疾病可能导致血浆中吡哆醛、甘油磷乙醇胺和氨基乙酰乙酸水平的下降，这可能削弱机体的防御机制，增加其他疾病的风险。吡哆醛是维生素B6的一种形式，作为多种酶促反应的辅酶，参与氨基酸代谢、神经递质合成和红细胞生成，主要通过其活性形式吡哆醛-5′-磷酸发挥作用。尽管目前关于吡哆醛与慢性牙周炎之间直接关系的研究有限，但其在炎症、免疫反应和氨基酸代谢中的作用提示，吡哆醛可能间接影响牙周炎的发病机制。未来的研究应探讨吡哆醛补充是否能够通过调节免疫反应和炎症通路改善牙周炎的治疗效果。

另一方面，慢性牙周炎可能导致N-乙酰-2-氨基己二酸和呋喃醇硫酸盐水平升高，从而增加系统性疾病的风险。尽管目前尚未有研究明确将这些代谢物与牙周炎直接关联，但已有研究表明维生素和ω-3脂肪酸可能通过调节与牙周炎相关的炎症，发挥其在发病机制中的作用。因此，进一步研究个体化营养摄入及其对牙周炎进展和治疗的影响具有重要意义。我们提出，通过调整饮食模式、识别潜在靶点并发现合适的药物来降低呋喃醇硫酸盐和N-乙酰-2-氨基己二酸的水平，可能有助于缓解牙周炎症状。

随着全基因组关联研究数据的日益丰富，研究人员从多个角度探讨了牙周炎与代谢物之间的关系。有关代谢物与系统性疾病之间MR分析的研究已有报道，但大多数研究使用的是2014年发表的309种代谢物的GWAS数据。截至目前，针对代谢物与牙周炎关系的MR研究仍较为有限。例如，一项基于横断面观察数据的MR分析探讨了牙周炎与25-羟基维生素D（25(OH)D）代谢物之间的因果关系，但未发现遗传性升高25(OH)D水平与牙周炎风险之间存在显著关联。另一项研究也未发现循环维生素C和维生素D水平与牙周炎之间的明确因果关系。这些研究仅关注单一代谢物对牙周炎的因果影响，未发现显著关联。相比之下，我们研究使用的是2023年更新的1400种代谢物的GWAS数据，涵盖了更广泛的代谢物类别。这使得我们能够进行双向MR分析，揭示多种代谢物与牙周炎之间的显著因果关系。与之前局限于较小数据集或单一代谢物的研究不同，我们利用了迄今为止最全面的人类血液代谢物GWAS数据，从而提升了研究结果的统计效力和可靠性，使我们能够更系统地探索牙周炎的代谢基础。

目前，关于口腔疾病，特别是牙周炎的代谢组学研究仍较为有限，前瞻性研究尚未开展。最近的一项观察性研究指出，口腔炎症性疾病，尤其是牙周炎的迹象，与典型的炎症代谢谱有关。在口腔疾病的研究中，代谢组学通常涉及唾液样本的收集。以往的研究主要关注通过唾液代谢物早期诊断系统性疾病，如各种癌症和神经退行性疾病。临床实践中，唾液代谢谱被用于诊断和预后分析，监测治疗效果并个性化治疗口腔和系统性疾病。一项横断面研究采用非靶向代谢组学分析，发现广泛性侵袭性牙周炎患者的血清尿素和肌醇水平显著升高，而谷胱甘肽、2,5-二羟基苯甲醛、己二酸和2-脱氧鸟嘌呤核苷水平则下降，为广泛性侵袭性牙周炎的发病机制提供了新见解，并加深了我们对牙周炎的理解。代谢组学分析各种生物液体时，通常会发现一些共同的代谢物，包括氨基酸、有机酸及其衍生物，如乙酸、丙氨酸、丁酸、甲酸、γ-氨基丁酸、乳酸、丙酸、苯丙氨酸和缬氨酸。这些代谢物被认为与牙周炎患者的宿主和微生物反应有关，提示需要进一步深入研究。

尽管如此，目前关于牙周炎血清代谢组学的研究仍较为有限，进一步研究仍有必要。值得注意的是，除了已被分类的代谢物外，我们的研究还识别出了一些具有“x-”代码的代谢物（如x-12798、x-11787），这些代谢物在公共代谢组学数据库中尚未被分类，缺乏结构或功能注释。尽管其具体生物学功能尚不明确，但这些未分类的代谢物在我们的MR分析中显示出与慢性牙周炎显著的因果关联。这提示未来需要进一步研究这些代谢物的化学身份及其在疾病发病机制中的潜在作用。

综上所述，本研究利用MR分析识别了可能对牙周炎早期预防具有重要意义的血液代谢物水平。我们的研究为血液代谢物在疾病预防中的作用提供了理论依据。尽管目前对这些代谢物在牙周炎中的研究仍有限，未来需要通过体内实验和验证，进一步探索调控血液代谢物水平在牙周炎预防和治疗中的潜力。

本研究存在一些局限性。首先，本研究使用的代谢物GWAS数据中，可用于MR分析的全基因组显著性单核苷酸多态性（SNPs）数量相对较少。为了选择工具变量，我们采用了相对宽松的显著性阈值，这种方法已被广泛使用。每种SNP的F统计量均大于10，表明没有弱工具变量。未来的研究应利用更大规模的血液代谢物GWAS数据，以识别更多相关的遗传位点。其次，我们的研究人群主要为欧洲人种，这可能限制了研究结果的普遍性和适用性。未来需要利用不同人群的GWAS数据进行验证，以确认研究结果的广泛适用性。

尽管存在上述局限性，本研究也有显著的优势。首先，研究涵盖了1400种代谢物或代谢物比值，代表了迄今为止最全面的血液代谢物GWAS数据。其次，即使经过多重校正，仍有多种血液代谢物显示出与慢性牙周炎显著的因果关联，有效整合了代谢组学和基因组学，识别了可能影响疾病发展的潜在生物标志物。因此，本研究显著加深了我们对慢性牙周炎潜在机制的理解。