IL7R+ T细胞-巨噬细胞对话将哮喘与阿尔茨海默病发病机制联系起来：孟德尔随机化与CellChat分析的整合

本综述通过整合孟德尔随机化（MR）与单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析，揭示中重度哮喘与阿尔茨海默病（AD）间的因果关联（ORIVW=1.01, p=3.85×10?3），发现1.8%效应由嗜酸性粒细胞介导，并鉴定出FPR1、IL1RAP、IL7R、IL18RAP等关键靶点及MIF-CD74-CXCR4通路在细胞对话中的核心作用，为免疫介导的神经退行机制提供新见解。

　　

ABSTRACT

Purpose

流行病学调查显示重度哮喘患者中阿尔茨海默病（AD）发病率较高，但因果关系尚未明确。本研究旨在通过孟德尔随机化（MR）分析探讨遗传预测的中重度哮喘与AD风险之间的潜在关联。

Methods

研究利用欧洲血统人群的AD（n=455,258）和中重度哮喘（n=57,695）全基因组关联研究（GWAS）摘要统计数据，采用SMR分析检测基因表达与疾病结局的关联，并通过连锁不平衡评分回归（LDSC）评估遗传相关性。进一步获取哮喘相关外周血单核细胞（PBMC）和AD脑脊液（CSF）的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集，解析疾病间生物通路的交互作用。

Results

多变量MR分析控制混杂因素后，中重度哮喘对AD风险的影响持续存在（OR_IVW=1.01, 95% CI=1.00–1.02, p=3.85×10^?3），其中1.8%的总效应由嗜酸性粒细胞介导。SMR分析发现FPR1、IL1RAP、IL7R和IL18RAP等基因靶点与AD及哮喘易感性相关。LDSC分析显示哮喘与AD无显著遗传重叠（rg=0.0436, p=0.592）。scRNA-seq整合分析揭示IL7R可能通过MIF-CD74-CXCR4通路介导CD4 T细胞与巨噬细胞的对话，促进AD发展。

Abbreviations

本研究涉及的主要缩写包括：AD（阿尔茨海默病）、CI（置信区间）、CSF（脑脊液）、eQTL（表达数量性状位点）、FPR1（甲酰肽受体1）、GWAS（全基因组关联研究）、HEIDI（依赖工具异质性检验）、IL18RAP（白细胞介素18受体辅助蛋白）、IL1RAP（白细胞介素1受体辅助蛋白）、IL7R（白细胞介素7受体）、IVW（逆方差加权）、LD（连锁不平衡）、LDSC（连锁不平衡评分回归）、MAF（次要等位基因频率）、MR（孟德尔随机化）、MR-PRESSO（多效性残差和异常值检验）、MVMR（多变量MR）、OR（优势比）、PBMC（外周血单核细胞）、PCA（主成分分析）、PRESSO（多效性残差和异常值）、scRNA-seq（单细胞RNA测序）、SMR（摘要数据MR）、SNPs（单核苷酸多态性）、UMAP（统一流形逼近与投影）。

1 Introduction

阿尔茨海默病（AD）是最常见的痴呆类型，影响全球超过2700万人，占所有痴呆病例的60%–70%。AD以近期事件记忆丧失为特征，伴随认知、功能和行为的衰退，对患者家庭和社会造成巨大负担。随着人口老龄化，AD病例数量持续增长，预计到2050年全球痴呆患者将达到1.52亿。

AD的风险因素中约35%可被干预，包括社会心理、既往疾病、生活方式等。慢性疾病如心脏功能不全、糖尿病、恶性肿瘤等可恶化AD患者的认知能力和功能状态。流行病学研究显示AD在哮喘患者中更常见，尤其是重度哮喘患者，可能增加神经损伤和认知障碍的风险。然而，关于哮喘与痴呆关联的研究结论不一。

孟德尔随机化（MR）利用遗传数据建立暴露因素与疾病间的因果关系，基于孟德尔遗传规律，选择与暴露因素高度相关且不受混杂因素影响的遗传变异作为工具变量，从而避免观察性研究中的混杂偏倚和反向因果关系。本研究采用两样本MR揭示中重度哮喘与AD的因果关系，并通过多变量MR（MVMR）调整混杂因素，使用摘要数据MR（SMR）探索潜在治疗靶点，结合scRNA-seq分析解析致病通路。

2 Methods

2.1 Study Ethics

本研究使用公开的GWAS和eQTL数据，无需额外的伦理审批。

2.2 Selection of Genetic Instruments of MR

在两样本MR和MVMR中，选择全基因组显著SNPs（p<5×10^?8），排除链不确定位点（A/T或C/G），去除连锁不平衡（LD）水平r²<0.001且距离>10,000 kb的变异。通过F统计量评估工具变量强度，F>10表明SNPs预测良好。

2.3 GWAS Outcome Source

GWAS结果数据来自欧洲血统人群的荟萃分析，总计455,258名参与者（71,880例病例和383,378例对照）。AD和中重度哮喘的GWAS数据集信息详见附表S1–S3。

2.4 MR Statistical Analysis

主要采用逆方差加权（IVW）进行两样本MR，辅以MR Egger回归和加权中位数法。IVW在无水平多效性假设下具有最高统计效能，结果以OR和95% CI表示。通过MR Egger截距检验、Cochran's Q检验和MR-PRESSO评估多效性和异常值。留一法分析检验单个SNP对结果的影响。

MVMR用于评估调整混杂因素后中重度哮喘对AD的直接影响和间接效应。两步MR法探索中介因素（如嗜酸性粒细胞计数），中介百分比计算公式为：β1×β2/β3×100%（β1=暴露-中介效应，β2=中介-结局效应，β3=总效应）。使用R包TwoSampleMR（v0.5.6）进行分析，并通过反向MR排除潜在多效性。

2.5 SMR Statistical Analysis

SMR分析整合GWAS与全血eQTL摘要数据，使用SMR软件（v1.03）进行等位基因协调和检验。血液cis-eQTL数据来自eQTLGen Consortium Phase I（31,684人，37个队列），针对欧洲血统人群，已调整技术混杂因素。工作流程包括：选择基因组显著SNPs作为工具变量（MAF>1%）；检测基因座内top cis-eQTL与性状的LD调整关联；通过HEIDI检验区分真实多效性与连锁。基因-性状关联需SMR检验显著（p<0.01）且HEIDI支持多效性（p>0.01）。

2.6 Linkage Disequilibrium Score Regression

通过LDSC评估中重度哮喘与AD的基因组遗传相关性，使用1000 Genomes Project Phase 3欧洲人群的预计算LD评分，计算遗传相关系数（rg）并评估显著性，调整截距以控制样本重叠、人群分层等混杂。

2.7 scRNA-seq Data Processing and Analysis

scRNA-seq数据来自公共数据库：哮喘PBMCs（GEO: GSE172495，5例哮喘和5例健康对照）、AD和对照样本（GEO: GSE134577，4例AD脑组织和4例正常CSF）。使用Seurat流程处理数据，通过Harmony算法整合组织批次效应，UMAP降维（基于15个主成分），聚类分辨率0.5，通过clustifyR和经典标记注释细胞类型。量化细胞类型比例，可视化FPR1、IL1RAP、IL7R、IL18RAP表达模式，基于IL7R表达将CD4 T细胞分为IL7R⁺和IL7R^?亚群。使用CellChat分析细胞间通信，优先选择分泌信号和细胞接触数据库中的配体-受体对，计算通信概率并进行通路富集分析。

3 Result

3.1 Genetic Instruments Selection

药物靶点和暴露因素的遗传工具F统计量均大于10，表明无弱工具偏倚。靶基因的工具变体来自eQTLGen，选择最显著的cis-eQTL SNP作为每个药物的遗传工具。

3.2 MR Causal Analysis

MR结果显示中重度哮喘与AD风险显著相关（OR_IVW=1.01, 95% CI=1.00–1.02, p=3.85×10^?3），与既往研究一致。IVW和MR Egger均显示无多效性。加权中位数MR（OR=1.01, p=0.171）和MR Egger（OR=1.03, p=0.293）与IVW方向一致但置信区间更宽。MR Egger截距检验和Cochran's Q检验显示无显著水平多效性和异质性（p intercept=0.539, Q p=0.359），MR-PRESSO全局检验结果相同（p=0.385）。留一法敏感性分析和漏斗图对称性表明无多效性。

MVMR调整吸烟、BMI、高血压、糖尿病、总胆固醇等混杂因素后，中重度哮喘与AD的因果关系仍存在（OR_IVW=1.04, 95% CI=1.01–1.07, p=4.20×10^?3）。反向MR显示无反向因果关联。

3.3 MR Causal Mediation Analysis

两步MR显示中重度哮喘与嗜酸性粒细胞计数相关（OR_IVW=1.12, 95% CI=1.08–1.17, p=1.89×10^?10），嗜酸性粒细胞计数与AD相关（OR_IVW=1.02, 95% CI=1.00–1.03, p=0.033）。计算表明嗜酸性粒细胞计数介导1.8%的总效应。异质性检验和MR-PRESSO显示存在异质性，但 distortion 检验证实因果估计未受多效性异常值影响。

3.4 SMR Analysis

选择FPR1（11个SNPs）、IL1RAP（25个SNPs）、IL7R（5个SNPs）、IL18RAP（15个SNPs）进行SMR分析。HEIDI检验表明关联非连锁所致（p>0.01）。进一步分析发现仅FPR1表达与AD显著相关，表明水平多效性参与较少。IVW-MR中所有结果无异质性（Cochran Q p>0.05），MR-Egger和MR-PRESSO无显著多效性（p>0.05）。

3.5 LDSC Results

中重度哮喘的SNP-based遗传率为8.06%（SE=0.0114, Z=7.06, p=1.61×10^?12），AD为1.00%（SE=0.00181, Z=5.55, p=2.93×10^?8）。基因组膨胀因子（λGC）均接近1（哮喘和AD均为1.09），表明无人群分层混杂。遗传相关分析显示哮喘与AD无显著重叠（rg=0.0436, SE=0.0813, p=0.592），遗传架构 distinct。分区遗传力分析显示哮喘遗传力富集于保守基因组区域和免疫增强子，AD富集于神经元染色质状态（如前额叶皮层H3K4me3标记）。

3.6 Cross-Tissue Single-Cell Profiling Reveals Disease-Specific Immune Landscapes in Asthma (PBMC) and AD (CSF)

整合scRNA-seq分析显示哮喘PBMCs和AD CSF具有不同的免疫景观。质控后保留17,344个细胞（原19,115个），Harmony整合消除批次效应，UMAP识别20个转录簇，注释为11种主要细胞类型：B细胞、CD14⁺单核细胞、CD16⁺单核细胞、CD4⁺ T细胞、树突状细胞（DCs）、GZMK⁺ CD8⁺ T细胞、巨噬细胞、巨核细胞、MHC-II-high CD14⁺单核细胞、自然杀伤（NK）细胞、浆细胞样树突状细胞（pDCs）。组织特异性明显：巨核细胞（PPBP⁺）仅见于哮喘PBMCs（2.1%），巨噬细胞（CD68⁺）在AD CSF中主导（8.7% vs. 0%）。哮喘PBMCs中MHC-II-high CD14⁺单核细胞减少（5.8% vs. 正常14.2%, p<0.001），细胞毒性CD8⁺ T细胞（12.7%）和浆细胞（6.3%）扩增；AD CSF中幼稚CD4⁺ T细胞减少（9.3% vs. 正常19.4%, p<0.01），神经炎症巨噬细胞（8.7%）和小胶质细胞（6.5%）富集。

3.7 Core Gene Expression and IL7R Subpopulation Communication Analysis

气泡图显示核心基因表达模式，IL7R在CD4 T细胞中高表达（平均表达约2.5，超过80%细胞表达），密度图验证其分布。基于IL7R表达将CD4 T细胞分为IL7R⁺和IL7R^?亚群。CellChat分析显示巨噬细胞是主要通信者，与IL7R⁺ CD4 T细胞交互强度显著（0.82 vs. IL7R^? 0.41）。配体-受体对气泡图识别MIF-CD74-CXCR4为关键通路，巨噬细胞高表达MIF（平均3.1，92%细胞），CD74和CXCR4主要在IL7R⁺ CD4 T细胞表达（平均2.8和2.6，85%和78%细胞）。小提琴图确认表达模式。靶向弦图验证MIF-CD74-CXCR4通路重要性，巨噬细胞至IL7R⁺ CD4 T细胞通信概率高（0.000478, p=0），自交互无显著性（0.00590, p=0.99）。

4 Discussion

本研究首次通过前瞻性设计探讨中重度哮喘与AD incident的关联，MR和MVMR分析显示中重度哮喘显著增加AD风险（无反向因果）。哮喘与AD共病可能源于免疫失调，哮喘的气道炎症可能影响脑健康，人群研究也发现哮喘患者痴呆风险增加，频繁或重度发作风险更高。嗜酸性粒细胞计数部分中介该关联，与Zhang等研究一致，表明外周嗜酸性粒细胞参与AD病理进展。

哮喘过敏反应中促炎细胞因子的释放对AD病理具有重要作用。SMR结果提示靶向FPR1、IL1RAP、IL7R、IL18RAP等炎症变量的疗法或可预防中重度哮喘患者的AD发生。IL-1参与AD神经退行过程，包括Aβ沉积中激活营养不良神经突形成和诱导星形胶质细胞激活。FPR1对炎症疾病有负面影响，可作为治疗策略，并改善脑出血后炎症和神经结局。IL7R可能通过影响血液基因表达调节老年人健康状态和衰老速率。IL18 3′UTR变异通过减少神经炎症保护运动神经元，对抗肌萎缩侧索硬化。靶向这些潜在治疗靶点或有助于延缓AD进展。

LDSC显示两疾病无正遗传相关，可能源于生物通路交互。AD发病隐匿，脑脊液生物标志物辅助诊断日益重要。假设哮喘相关炎症通过PBMCs至CSF引发中枢神经系统炎症，增加认知衰退易感性。IL7R在AD中的潜在作用得到新兴证据支持，如AD患者外周血低IL-7Rα表达的效应记忆CD8⁺ T细胞基因表达谱与认知正常者不同，与AD病理标志物负相关；IL7R信号可能通过调节T细胞浸润和小胶质细胞激活加剧神经炎症。

研究发现MIF-CD74-CXCR4轴在巨噬细胞-CD4 T细胞对话中的关键作用，尤其在IL7R⁺亚群。MIF在哮喘患者血清中升高，通过激活CD74受体促进Th2细胞分化和嗜酸性粒细胞浸润；同时AD患者脑脊液MIF水平升高，与微胶质细胞激活和Aβ沉积正相关。哮喘外周免疫细胞（如CD4⁺ T细胞）高表达CXCR4，其配体CXCL12在AD患者脑血管周围上调，可能吸引外周免疫细胞跨越血脑屏障进入脑实质。浸润的CD4⁺ T细胞（如Th1/Th17）分泌IFN-γ和IL-17，进一步激活微胶质细胞，形成炎症正反馈环路，加剧Aβ沉积和神经元损伤。AD模型中抑制CXCR4可减少脑内外周免疫细胞浸润，改善脑血流和认知功能。

中重度哮喘对AD的效应量（OR_IVW=1.01）统计显著但生物学较弱，统计不显著可能源于样本量不足，但其他MR方法效应估计方向一致（OR略>1），提示潜在风险趋势需大样本验证。尽管该因果效应小于已知遗传风险因素（如APOE ε4等位基因OR=3–15），但作为可干预的暴露因素具有独特公共卫生意义。例如APOE ε4作为遗传标志无法干预，而哮喘炎症通路（如IL-7R信号）可通过药物（如抗IL-7R抗体）或生活方式调整靶向。若未来研究证实哮喘管理可降低AD风险，即使微小效应量也可能因哮喘高流行率转化为疾病负担的显著减少。

研究发现拓宽了对哮喘与AD共享机制的理解，表明哮喘PBMCs的免疫细胞可能通过炎症因子与CSF交互影响中枢神经系统。炎症通路失调可能影响中枢神经系统，参与神经退行性疾病病理。因而需深入研究炎症通路及其交互作用，以识别哮喘中改变脑健康的炎症致病通路。靶向炎症因素的治疗或可预防中重度哮喘患者的AD发生。理解连接中重度哮喘与AD的炎症通路对实现治疗进展至关重要，可能减轻或延迟神经退行和痴呆发作。未来研究应强调广大哮喘患者神经退行和认知障碍风险的重要性。

5 Conclusion

本研究存在若干限制：首先，虽选择统计效能足够的GWAS数据探讨中重度哮喘与AD因果关系，但残留混杂和水平多效性无法完全排除；其次，缺乏全面研究级数据，无法进行亚组分析；第三，MR分析因果估计反映药物靶点终生影响，无法评估短期有效性和副作用；第四，欧洲中心遗传工具限制跨血统普适性，可能偏倚 underrepresented 人群的因果估计；第五，scRNA-seq数据易受样本特异性技术 artifacts（如dropout驱动的假阴性）和生物异质性（如个体间免疫变异）影响，可能混淆细胞类型分辨的因果推断。未来研究应优先关注多样队列和多模态单细胞 assay。