血浆蛋白、神经影像指标与阿尔茨海默病风险之间的双向因果关系

《The Journal of Prevention of Alzheimer's Disease》：Bidirectional causal relationships between plasma proteins, neuroimaging metrics and risk of Alzheimer's disease

　　

背景：神经影像指标（neuroimaging metrics, NIMs）改变是阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）最早可检测到的病理生理改变之一，血浆蛋白与神经影像指标波动密切相关，分析关联蛋白组学特征有助于发现AD治疗靶点。方法：采用英国生物样本库（UK Biobank, UKB）脑影像数据结构（Brain Imaging Data Structure, BIDs）的全基因组关联研究（genome-wide association study, GWAS）数据；AD病例401,661例、对照10,520例来自FinnGen数据库；对神经影像指标、蛋白质组与AD进行双向孟德尔随机化（Mendelian Randomization, MR）分析，方法包括逆方差加权法（inverse variance weighted, IVW）、MR Egger、加权中位数法（weighted median）、加权众数法（weighted mode）及Wald比值法。结果：研究人员识别出12个与AD显著相关的神经影像指标（左半球总皮质厚度、右丘脑体积等），为贯穿AD临床前阶段至痴呆期的稳定结构磁共振成像（structural magnetic resonance imaging, sMRI）生物标志物；发现1,633个与AD有显著因果关系的血浆蛋白，功能富集分析显示这些蛋白主要富集于突触小泡循环、突触膜、神经递质释放及GABA受体活性等AD相关通路；蛋白与AD的显著关系受神经影像指标影响，其中神经影像指标介导了PTPRC蛋白与AD表型特征间反向关系的67%。结论：本研究建立了蛋白组、神经影像指标与AD影响关系的联系，为理解AD复杂机制提供重要信息。

《血浆蛋白、神经影像指标与阿尔茨海默病(AD)风险之间的双向因果关系》论文解读

本文为发表于《The Journal of Prevention of Alzheimer's Disease》的研究解读。阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是最常见的老年退行性痴呆，其经典病理标志——β淀粉样蛋白（amyloid-β, Aβ）斑块与Tau蛋白神经纤维缠结（neurofibrillary tangles, NFTs）仅能部分解释疾病机制，以Aβ和Tau为靶点的治疗临床转化效果不佳，亟需发现新治疗靶点。结构磁共振成像（structural magnetic resonance imaging, sMRI）显示的神经影像指标（neuroimaging metrics, NIMs）改变是AD最早的病理生理改变之一，可在临床症状出现前数年至数十年被检测到，且既往观察性研究表明脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）蛋白（如total tau, neurofilament light chain, NfL）与神经影像改变相关，但既有研究仅关注少数蛋白与指标，未系统阐明血浆蛋白、大尺度神经影像指标与AD间的双向因果关系及中介作用。本研究旨在通过双向孟德尔随机化（Mendelian Randomization, MR）分析，构建血浆蛋白–神经影像指标–AD三者关联图谱，明确神经影像指标是否在蛋白与AD的关联中起中介作用，以深化对AD发病机制的理解。

为开展本研究，研究人员主要采用以下关键技术方法：神经影像指标GWAS数据来源于英国生物样本库（UK Biobank, UKB）脑影像数据结构（Brain Imaging Data Structure, BIDs）发布数据，初筛2,146个指标后经去冗余及剔除小脑区指标保留587个；AD GWAS数据来自FinnGen数据库（病例401,661例，对照10,520例）；血浆蛋白GWAS数据采用已发表大规模血浆蛋白组GWAS汇总数据。先进行连锁不平衡得分回归（linkage disequilibrium score regression, LDSC）评估遗传相关性（P<0.05为显著），再以P≤5×10^-8、连锁不平衡（linkage disequilibrium, LD）聚类r²=0.001、基因窗口±100 kb筛选工具变量（instrumental variables, IVs），剔除次要等位基因频率（minor allele frequency, MAF）<0.01的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms, SNPs）。MR分析采用逆方差加权法（inverse variance weighted, IVW）为主，辅以MR Egger、加权中位数法（weighted median）、加权众数法（weighted mode）及单SNP时采用Wald比值法；F统计量检验弱工具变量（F≥30）；异质性与水平多效性检验采用Cochrane's Q检验、I²统计量、Egger截距检验及MR?PRESSO法；进行留一法（leave?one?out）敏感性分析。对显著关联蛋白行GO与KEGG富集分析（校正后P_adj<0.05），对蛋白–神经影像指标–AD通路行中介效应分析（FDR校正P_FDR<0.05）。

结果部分各小节结论如下：

Instrumental variables (IVs) selection（工具变量筛选）：经LDSC分析发现65对神经影像指标–AD存在显著遗传相关性（P<0.05），利用RadialMR剔除异常IVs后，最终保留IVs的F统计量均≥30，说明工具变量强度合格，能有效支持因果推断并降低弱工具偏倚。

Neuroimaging metrics to AD by MR（神经影像指标对AD的MR分析）：正向MR分析发现12个神经影像指标对AD发病有显著因果影响——穹窿（fornix）平均扩散率（mean diffusivity, MD）升高（OR=1.21）、右侧钩束（uncinate fasciculus）MD升高（OR=1.13）、白质高信号（white matter hyperintensities, WMH）体积增大（OR=1.09）增加AD风险；右丘脑体积减小（OR=0.84）、胼胝体压部MD降低（OR=0.90）、右侧内嗅皮层（entorhinal cortex）厚度减小（OR=0.91）、穹窿各向异性分数（fractional anisotropy, FA）降低（OR=0.90）、左侧大脑半球皮质表面积减小（OR=0.93）、左侧内嗅皮层表面积减小（OR=0.93）、左侧半球总皮质厚度减小（OR=0.94）、右侧扣带束扣带回部FA降低（OR=0.95）及左侧扣带束扣带回部FA降低（OR=0.90）均显著增加AD风险。

Proteins associated with neuroimaging metrics（与神经影像指标相关的蛋白）：MR分析发现1,633个血浆蛋白与神经影像指标存在2,202个显著关联（FDR校正P_FDR<0.05），不同类别神经影像指标（面积、FA、MD、厚度、体积）的最强关联蛋白各异；GO与KEGG富集显示这些蛋白显著富集于突触小泡循环、突触膜、神经递质释放、GABA受体活性等AD相关通路。

Protein to neuroimaging metrics by MR（蛋白对神经影像指标的MR分析）：聚焦与12个AD相关神经影像指标有显著统计关联的39个蛋白与12个指标做MR，发现白细胞介素?1受体相关激酶4（interleukin?1 receptor-associated kinase 4, IRAK4）蛋白表达升高使左侧大脑半球总皮质表面积相关AD风险增加26%（OR=1.26, P<0.001）；敏感性分析未见方向性及水平多效性（MR?Egger截距与MR?PRESSO均P>0.05）。

Proteins to AD by MR（蛋白对AD的MR分析）：对39个与神经影像指标相关的蛋白行MR分析，发现10个蛋白与AD风险有显著因果关系（原文举例包括INHBB、IL17RB、PTPRC、BTN3A2、ENTPD2等），敏感性分析满足MR假设。

AD to proteins by reverse MR（AD对蛋白的反向MR分析）：反向MR发现5个蛋白受AD显著反向影响，同样无显著水平多效性。

Neuroimaging metrics mediated association between proteins and AD（神经影像指标介导蛋白与AD的关联）：中介分析发现5条显著中介通路（P_FDR<0.05），其中神经影像指标完全介导蛋白酪氨酸磷酸酶受体C型（protein tyrosine phosphatase receptor type C, PTPRC，即CD45）与AD关联的67%，提示PTPRC影响AD发生/进展可能经由特定脑区结构改变实现。

讨论与结论总结：

讨论指出，本研究通过双向MR明确了12个与AD有因果关系的神经影像指标——如左侧半球总皮质厚度降低反映Tau蛋白播散、高代谢联络皮层易感性、默认模式网络（default mode network, DMN）回路中断及慢性神经炎症导致的神经元与突触进行性丢失，aMCI期即可预测进展至AD；穹窿MD升高是Aβ与Tau病理致内侧颞叶记忆环路白质微结构损伤的最早白质标志；WMH体积增大系脑小血管病（cerebral small vessel disease, CSVD）缺血性损害与AD神经原纤维变性协同加速AD进展，而非直接由Aβ/Tau介导。研究发现1,633个与神经影像指标显著相关的血浆蛋白，功能富集于AD核心通路；其中INHBB（激活素B β亚基）、IL17RB（IL?17受体B）、PTPRC（在小胶质细胞高表达，调控神经炎症与微胶质活化）、BTN3A2（Butyrophilin亚家族3成员A2，免疫球蛋白超家族T细胞应答分子，影响兴奋性突触功能）、ENTPD2（外核苷酸三磷酸二磷酸水解酶2，调控胞外ATP水平，AD中过表达致微胶质P2X7受体过度活化放大神经炎症）均与AD风险有关联且此关联受神经影像指标影响。研究局限性在于UKB人群以欧洲裔为主限制跨种族外推，神经影像指标对AD病理亚型区分不足，缺乏本地临床组织qPCR/免疫组化/蛋白水平验证。结论为：本研究整合遗传、蛋白组与神经影像大数据，绘制了血浆蛋白与神经影像指标关联全景图，所识别蛋白可作为AD评估潜在生物标志物；证实神经影像指标在血浆蛋白与AD关系中发挥中介作用，为阐明脑疾病机制及探索AD治疗新靶点提供依据。