孟德尔随机化研究揭示免疫细胞亚群对认知功能的因果影响及潜在干预靶点

本综述通过孟德尔随机化（MR）方法系统分析了731种免疫细胞表型与认知功能的因果关系，发现IgD?CD27? B细胞（%lymphocyte）和未转换记忆B细胞（unswitched memory B cells）等七种免疫表型显著影响认知表现。研究采用逆方差加权（IVW）、MR-Egger等多种分析方法，结合敏感性检验和反向MR验证，证实了免疫系统对认知功能的单向调控作用，为神经免疫调控和认知障碍早期干预提供了新的靶点和理论依据。

　　

ABSTRACT

背景

近期研究逐渐揭示免疫系统活动与认知能力之间存在重要联系。尽管相关性已被记录，但特定免疫细胞亚群与认知能力之间的因果机制仍未充分明确。本研究旨在确定不同免疫细胞亚型与认知功能之间的定向关系，可能为免疫调节干预提供靶点。

方法

研究采用两样本孟德尔随机化（MR）分析，利用来自3757名撒丁岛人的全基因组关联研究（GWAS）数据，并结合详细的免疫表型分析。同时，整合了Lee等人（n=257,841）的认知表现汇总统计数据。分析策略采用多种MR技术，其中逆方差加权（IVW）分析作为主要方法。为确保结果可靠性，进行了敏感性分析，包括加权中位数估计、模式方法、MR-Egger回归（评估多效性）、MR-PRESSO（异常值识别）和Cochran's Q统计（检验异质性）。此外，为探索可能的反向因果关系，还进行了双向MR分析。

结果

经错误发现率（FDR）校正后（P_FDR<0.05），发现两种免疫细胞表型与认知表现显著相关。IgD^? CD27^? B细胞（%lymphocyte）与认知结果呈正相关（β=0.04，95%置信区间[CI]：0.02–0.06，P_FDR=3.02×10^?2），而未转换记忆B细胞（%lymphocyte）则显示负相关（β=?0.06，95% CI：?0.09至?0.03，P_FDR=3.02×10^?2）。采用更严格统计阈值（p<0.005）时，五种免疫亚群显示显著关系：B淋巴细胞（IgD^? CD27^? B细胞、CD27⁺记忆B细胞和CD38⁺过渡B细胞）、T淋巴细胞（CCR7⁺初始CD4⁺ T细胞）和单核吞噬细胞（HLA-DR⁺ CD14^? CD16^?细胞）。这些发现揭示了可能通过多种细胞途径影响认知功能的不同免疫表型特征。重要的是，双向MR分析显示认知表现对这些免疫表型特征没有显著因果影响，加强了主要发现的定向性。

结论

这些发现表明七种不同的免疫细胞表型可能在认知功能中起因果作用。缺乏反向因果关系进一步支持这些免疫表型可能影响认知结果，而不是认知功能的结果。已确定的因果关联指出了可能与调节认知功能相关的潜在免疫途径。这些免疫特征可能作为认知表现相关炎症途径的关键调节因子。

缩写

CI：置信区间；FDR：错误发现率；GWAS：全基因组关联研究；IV：工具变量；IVW：逆方差加权；LD：连锁不平衡；MR：孟德尔随机化；SNPs：单核苷酸多态性；β：beta系数

1 引言

人类认知功能整合了多种知识应用过程，包括感觉处理、注意力、记忆、推理和语言能力。神经认知障碍和痴呆是全球健康负担的主要贡献者，尤其是在人口老龄化背景下。多种因素影响认知表现，包括环境条件、心理状态、衰老过程、神经系统状况、激素变化和免疫系统改变。2015年全球有4700万人受痴呆影响，预计到205年将增加两倍，因此开发预防认知衰退的新干预措施变得迫切。值得注意的是，免疫失调与认知恶化显著相关。越来越多的证据表明，免疫介导的炎症条件下患者认知功能障碍 prevalence 较高。

认知衰退表现为持续、进行性和不可逆的过程。关键加速因素包括慢性炎症和细胞衰老，两者均受免疫细胞显著调节。免疫细胞参与认知功能障碍的重要性日益受到关注。在健康老年人群中，认知表现与外周免疫标志物相关——一项横断面调查显示，认知能力较差的个体白细胞介素1β、白细胞介素8、白细胞介素13和肿瘤坏死因子（TNF）水平较高。在正常脑老化和认知恶化过程中，脑脊液免疫失调变得明显，认知受损个体中克隆CD8效应记忆T细胞上的C–X–C motif趋化因子受体6（CXCR6）上调。此外，CD4⁺ T细胞在路易体痴呆中促进神经退行性过程。轻度认知障碍患者调节性T细胞比例高于阿尔茨海默病相关痴呆患者。这些集体发现表明循环免疫成分对认知功能发病有显著影响，但这些关系的定向性需要进一步澄清。

加速认知恶化的关键因素包括慢性炎症和细胞衰老，两者均受免疫细胞显著调节。免疫细胞在认知功能障碍疾病中的关键作用日益得到认可。例如，健康老年人的认知表现与外周免疫标志物相关。一项横断面研究显示，认知表现较差的参与者白细胞介素8、白细胞介素1β、白细胞介素13和TNF浓度升高。在正常脑老化和认知障碍过程中观察到脑脊液免疫失调，认知受损受试者中克隆CD8效应记忆T细胞上的CXCR6上调。此外，CD4⁺ T细胞在路易体痴呆中促进神经退行性变。值得注意的是，轻度认知障碍患者调节性T细胞比例高于阿尔茨海默病相关痴呆患者。积累的科学文献表明循环免疫细胞可能对认知功能发病有实质性影响。然而，系统性免疫细胞群与认知功能之间关系的确切性质仍未充分表征，因此需要进一步研究。

孟德尔随机化（MR）方法为解决传统观察研究的局限性提供了复杂方法，已成为通过遗传工具变量（IVs）研究特定暴露与结果之间因果关系的宝贵工具。MR利用胚胎发育过程中单核苷酸多态性（SNPs）的随机分配，从而减少混杂影响。该框架近似随机对照试验条件，同时利用基因组数据。尽管先前的MR研究已建立免疫系统成分与明显神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）之间的因果联系，但关于免疫系统在非病理谱系中调节一般认知功能的作用仍存在关键知识差距。我们的研究与先前工作不同，将认知表现概念化为连续性状而非二元疾病状态。这种方法能够在临床痴呆发作前识别影响认知变异的免疫途径，从而将科学焦点从疾病治疗转向初级预防和终身认知健康维护策略。因此，本研究利用MR框架系统研究特定免疫细胞表型对认知表现的因果影响，这是一个关键但未充分探索的领域。

我们的研究采用两样本MR方法系统评估循环免疫细胞表型与认知障碍风险因素之间的因果关系。识别外周免疫成分及其炎症机制的因果贡献可能揭示有希望的治疗靶点和诊断生物标志物，用于早期检测和干预监测。最终，这些见解可能通过靶向免疫调节增强我们对认知改善策略的理解。

2 材料与方法

研究设计

我们的研究采用全面两样本MR方法调查731种免疫细胞谱与认知功能之间的潜在因果关系。为确保方法有效性，我们遵循三个基本MR假设：（1）IVs与暴露变量强相关，满足相关性标准。（2）所选遗传工具与可能影响暴露和结果测量的混杂因素无关，满足独立性标准。（3）遗传工具仅通过其对暴露的影响影响结果，不涉及替代因果途径，从而满足排除限制。分析框架如图1所示。本研究完全遵循加强流行病学观察性研究报告孟德尔随机化（STROBE-MR）指南，详细合规文件见表S1。

GWAS数据来源：免疫细胞表型

我们的调查利用了最广泛的免疫表型GWAS数据，具有3757名欧洲血统撒丁岛人表征的731种不同免疫特征。这种全面分析涵盖多种细胞指标，包括：118种绝对细胞（AC）量化、389种通过中位荧光强度（MFIs）的表面抗原表达测量、32种来自前向散射（FSC）和侧向散射（SSC）测量的参数反映细胞形态，以及192种相对细胞（RC）群体评估。通过直接高密度阵列基因分型或使用撒丁岛特定参考面板插补检查了约2200万个SNPs。所有分析中将年龄和性别作为协变量以控制潜在人口混杂。包含所有731种免疫表型汇总统计数据的完整数据集可通过GWAS目录（标识符GCST0001391–GCST0002121）访问。

GWAS数据来源：认知表现

我们的认知表现分析整合了社会科学遗传关联联盟（SSGAC）编制的广泛遗传关联数据，包括257,841名欧洲血统参与者。该综合存储库整合了先前认知基因组联盟（COGENT）发现（35,298人）和UK Biobank（UKB）认知评估数据（222,543名受试者）。合并的统计存储库表现出实质性的解释能力，解释了认知测量结果中7%–10%的观察变异。

IVs选择

在我们的IV选择过程中，我们对每种免疫表型实施了全基因组显著性阈值p<5×10^?8，与先前免疫参数MR研究中的方法标准一致。为确保独立预测能力，我们使用1000 Genomes Project参考面板进行了连锁不平衡（LD） clumping，参数严格（r²<0.001 within 10 Mb genomic windows）。我们通过计算表型变异解释比例（PVE）和相应F统计量系统评估了IV强度，以解决潜在弱工具偏差。产生F统计量低于10的工具被分类为弱工具并从后续分析中排除。F统计量使用公式F=(β/SE)²计算，其中β代表效应估计幅度，SE表示其标准误差。表型变异比例（R²）使用R²=2×EAF×(1?EAF)×β²计算，其中EAF代表效应等位基因频率，β表示SNP对表型性状的估计效应。

MR分析

全面统计程序使用R计算环境（版本4.4.1）进行。我们通过“MendelianRandomization”包（版本0.6.6）实施的多种MR技术评估了731种免疫细胞性状与认知功能之间的潜在因果联系。分析策略包括几种互补方法，包括逆方差加权（IVW）、简单模式、加权模式、加权中位数和MR-Egger回归，其中IVW作为主要分析框架。对于IVW分析，固定效应和随机效应模型之间的选择由异质性评估结果决定：当不存在显著异质性时应用固定效应模型，而当观察到异质性时使用随机效应模型。

统计功率分析

我们显著发现的事后统计功率使用mRnd在线计算器确定。由于我们的结果是连续变量，每个暴露-结果对的功率基于（1）IVs解释的暴露方差比例（R²）；（2）认知表现GWAS的样本量；（3）我们MR分析中估计的因果效应大小；（4）设置为0.05的I型错误率（α）。每个工具SNP的R²用公式计算：R²=2×EAF×(1?EAF)×β²，其中EAF代表效应等位基因频率，β是SNP对暴露的效应。多SNP工具的累积R²通过求和个体R²值计算。

敏感性分析

为验证结果可靠性，我们进行了广泛的敏感性评估，包括Cochran's Q检验（测量IVs间的异质性）、MR-Egger截距评估（检测水平多效性，p>0.05表明无显著定向多效性）和MR-PRESSO方法（识别和移除潜在多效性异常值）。几种免疫细胞性状由于免疫表型GWAS数据集中遗传工具不足（少于三个全基因组显著SNPs）而不可避免地排除在敏感性分析之外。

反向MR分析

为调查潜在双向关系，我们进行了反向MR，评估认知表现是否对先前识别的显著免疫细胞群体施加因果影响。对于此互易分析，我们选择显示与认知表现关联的SNPs（p<5.0×10^?8）作为IVs。

伦理批准和参与同意

我们的研究利用先前发布的公开GWAS汇总统计数据。不需要正式伦理批准，因为我们的分析专门使用汇总级数据而不访问个体级信息。

3 结果

IVs选择

我们的调查最初在完成LD clumping和协调步骤后识别了2326个与免疫细胞性状在全基因组显著性（p<5×10^?8）相关的SNPs。为维持IV有效性，我们实施了严格过滤协议。我们排除了回文和模糊等位基因以避免链模糊并发症。移除强度不足（F统计量<10）和与认知测量强相关的SNPs以减少潜在偏差。使用MR-PRESSO进行多效性评估后，我们消除了显示多效性效应的SNPs。此彻底质量控制过程产生了2318个有效IVs，用于我们检查免疫细胞谱与认知功能联系的最终MR分析，完整细节见表S2。

免疫细胞谱对认知功能的因果影响

使用两样本MR与IVW分析作为主要统计方法，我们调查了731种不同免疫细胞谱与认知功能之间的潜在因果联系。经错误发现率校正（P_FDR<0.05）调整多重检验后，我们识别了两种特定免疫细胞亚群显示与认知表现测量在统计上显著的关系，见表S3。事后功率分析确认我们的研究充分 powered 检测这些关联，统计功率分别为99.4%和100%（详情见表S4）。

我们的结果显示，具有IgD^? CD27^?表型（%lymphocyte）的B细胞与认知结果呈正相关（β=0.04，95% CI：0.02–0.06，P_FDR=3.02×10^?2），表明可能的神经保护效应。相反，未转换记忆B细胞（%lymphocyte）显示与认知表现负相关（β=?0.06，95% CI：?0.09至?0.03，P_FDR=3.02×10^?2），表明对认知功能可能的有害影响（图2）。这些免疫细胞谱与认知表现之间的因果关系在散点图图3中描述，展示了这些关联的方向和强度。

当实施更严格显著性阈值（p<0.005）时，五种免疫细胞亚型符合标准（表S3）。这五种发现的统计功率也强大，范围从85.0%到98.2%，进一步增强了这些结果的置信度（表S4）。在B细胞区室内，IgD^? CD27^? B细胞（占B细胞的百分比）显示潜在认知保护效应（β=0.03，95% CI：0.01至0.04，p=1.10×10^?3），而记忆B细胞上的CD27表达（β=?0.02，95% CI：?0.03至?0.01，p=1.26×10^?3）和过渡B细胞上的CD38表达（β=?0.02，95% CI：?0.03至?0.01，p=3.96×10^?3）与潜在认知衰退相关。在T细胞成熟阶段，初始CD4⁺ T细胞上的CCR7表达（β=0.02，95% CI：0.01–0.04，p=1.39×10^?3）展示保护特性。在单核细胞中，CD14^? CD16^?细胞上的HLA-DR表达（β=?0.01，95% CI：?0.02至?0.00，p=4.67×10^?3）展示抑制效应（图4）。这些免疫表型与认知表现之间的因果关系在散点图图5中可视化。

敏感性分析

采用的遗传工具表现出强大的有效性，F统计量超过推荐阈值10，减轻了潜在弱工具担忧（表S2）。通过MR-PRESSO移除异常值后（表S5），Cochran's Q分析确认了剩余变体的工具同质性（表S6）。对于涉及超过三个SNPs的分析，通过MR-Egger截距测试（表S7）和MR-PRESSO全局评估（表1）的水平多效性评估显示无显著定向偏差。通过顺序变体排除分析和通过漏斗图可视化对称性评估（图S1–S13）进一步确认结果稳定性，共同加强了识别的免疫细胞特征与认知结果之间因果关系的可靠性。

反向MR分析

为严格评估潜在反向因果关系，我们实施了双向MR分析，采用与认知表现相关的SNPs（p<5.0×10^?8）作为IVs。这些全面反向分析显示从认知表现到免疫表型特征无统计显著双向因果影响（表S8）。这种反向因果关系的缺乏加强了我們主要观察的定向性，支持解释识别的免疫表型对认知表现施加因果影响而不是作为认知功能的结果出现或反映混杂因素。这些发现共同加强了我们的因果推理框架的稳健性，并进一步验证了识别的免疫表型标记在调节认知结果中的潜在生物学相关性。

4 讨论

这项调查构成了第一个检查免疫细胞表型特征与认知表现之间潜在因果关系的MR研究。通过我们对731种不同免疫细胞谱的全面分析，我们识别了两种在调整FDR后与认知功能统计显著相关的免疫细胞。值得注意的是，IgD^? CD27^? %lymphocyte与优越认知结果呈正相关，表明这些细胞可能赋予神经保护效应。相反，Unsw Mem %lymphocyte显示与认知评估分数负相关，可能表明对神经功能和认知过程的有害影响。

当采用更严格显著性阈值（p<0.005）时，五种免疫细胞群体出现与认知功能显著相关。在B细胞区室内，IgD^? CD27^? %lymphocyte似乎可能神经保护，而CD27⁺记忆B细胞和CD38⁺过渡B细胞被识别为认知衰退的可能风险因素。值得注意的是，我们对CD38⁺过渡B细胞的发现与先前报告一致，其中它们被描述为对抗血管性痴呆的保护因子，表明这种细胞类型类似有益作用。此外，在T细胞成熟阶段，CCR7⁺初始CD4⁺ T细胞展示与认知表现有益关联，而CD14^?CD16^?单核细胞上的HLA-DR表达与认知结果负相关。

人类外周B淋巴细胞基于CD27和IgD表达包括四个主要亚群：未转换记忆B细胞（CD27⁺IgD⁺），与早期免疫应答相关；转换记忆B细胞（CD27⁺IgD^?）；初始/过渡B细胞（CD27^?IgD⁺）来自最近骨髓生成；和双阴性B细胞（CD27^?IgD^?），一个与衰老和系统性红斑狼疮相关的异质群体。这些不同的B细胞区室在健康和疾病状态中展示专门功能。

我们的数据揭示了一个显著对比，其中未转换记忆B细胞（CD27⁺ IgD⁺）和IgD^? CD27^? B细胞展示与认知指标的相反关系。这种模式在当前知识背景下值得探索。研究表明老年人身体活动影响循环免疫谱，不活跃老年人显示比活跃对应物更高的未转换记忆B细胞频率。鉴于这些细胞被认为是免疫活力的指标，它们在我们研究中与认知功能的负关联呈现了一个意外悖论。我们对IgD^? CD27^? B细胞的观察也与现有证据不同。先前调查记录了阿尔茨海默病患者中升高的双阴性（IgG⁺IgD^?CD27^?）B细胞，展示炎症受体特征。此外，研究显示CD27^? IgD^? B细胞群体在中国老年男性中发挥炎症效应，与功能恶化相关。尽管与已发布发现存在这些明显不一致，这些B细胞亚群影响认知的确切机制仍未确定，突出了检查这些免疫-认知途径的机制研究的必要性。

我们的分析显示IgD^? CD27^? B细胞展示潜在认知保护特征，模式类似于IgD^? CD27^?淋巴细胞群体中观察到的。相反，记忆B细胞上的CD27表达和过渡B细胞上的CD38展示与认知衰退关联。有趣的是，先前调查记录了老年受试者（平均：19.2%）中显著降低的CD27⁺ B细胞百分比与年轻个体（平均：28.2%）相比。此外，高CD38表达的细胞似乎赋予对抗衰老相关过程的保护效应。在T细胞成熟阶段，初始CD4⁺ T细胞上的CCR7表达与认知功能正相关。在认知恶化老年人中观察到的初始CD4⁺ T细胞活力减弱表明这些细胞可能作为潜在认知保护因子。关于单核细胞，CD14^?CD16^?细胞上的HLA-DR表达展示与认知表现负关联。值得注意的是，研究表明单核细胞上的HLA-DR表达随年龄增长而增加，表明HLA-DR表达单核细胞可能代表认知增强干预的潜在细胞靶点。

我们的双向MR分析检测到从认知表现到识别的七种潜在免疫表型无显著反向因果影响。这种反向因果关系的缺乏加强了我们的结论，即这些免疫特征影响认知功能而不是相反。这种定向清晰性增强了这些免疫途径作为认知增强治疗靶点的潜在价值。

解释我们的发现时应注意几个考虑。依赖主要来自欧洲血统个体的GWAS数据固有地限制了我们结论立即适用于更多样化全球人群。方法上，我们MR框架内的一个中心挑战是来自IV异质性或多效性的潜在混杂，这可能损害我们因果估计的稳定性。为主动解决这个问题，我们部署了严格验证管道，包括Cochran's Q检验异质性、留一分析检测有影响力SNPs和视觉漏斗图检查不对称性（表S5，图S1–S13）。在具有足够数量工具的情况下，通过MR-Egger截距和MR-PRESSO的正式评估未显示定向多效性证据（表S6和S7）。然而，一个关键警告是这些后测试的适用性取决于SNPs数量；因此，来自稀疏工具集的发现携带更高的潜在多效性混杂负担，因此值得更谨慎解释。超出这些统计考虑，我们的MR方法尽管暗示因果关系，无法阐明潜在分子途径，这些途径等待实验验证。

总之，我们的MR分析提供了表明特定免疫细胞谱对认知功能潜在因果影响的证据。这些发现指出了认知评估的潜在免疫相关途径和生物标志物候选。

5 结论

我们的两样本MR调查表明了免疫细胞性状与认知能力之间的潜在因果关系，阐明了从免疫系统到认知过程的定向影响。我们进行的双向分析验证了无反向因果关系，加强了我们的发现。这项工作推进了我们对认知表现潜在机制的理解，并突出了可能为未来干预研究提供信息的潜在免疫途径。

作者贡献

Jingfeng Fu：概念化、数据管理、形式分析、资金获取、软件、监督、写作-原稿、写作-评审和编辑。Minmin Yang：写作-评审和编辑。Qingteng Zheng：写作-评审和编辑。

致谢

我们最深切感谢为全基因组关联研究做出贡献的研究人员和受试者，因为他们的汇总数据对我们的分析至关重要。我们高度重视开发实现这项工作的统计方法和计算软件的团队。图1中的视觉表示使用WPS Office平台创建，我们认可金山Office和GDP提供这些分析工具。

利益冲突

作者声明无利益冲突。