引用本文: 黎征鹏, 章晓云, 武瑞骐, 李坤建, 曾浩, 向科霖, 李勇进. 甲状腺功能障碍与骨质疏松症的因果关系:双向两样本孟德尔随机化研究. 华西医学, 2024, 39(10): 1617-1624. doi: 10.7507/1002-0179.202403222 复制
骨质疏松症(osteoporosis, OP)是一种常见的慢性代谢性疾病[1],特征为骨量减少、骨微观结构被破坏从而导致骨脆性增加,且易发生全身性骨折[2]。流行病学调查报告显示,中国有
1 资料与方法
1.1 研究设计
本研究采用双向两样本 MR 分析方法对 OP 与甲状腺功能障碍进行因果分析,正向分析以甲减、甲亢和 HT 三者为暴露因素,OP 则为结局因素;反向分析以 OP 为暴露,甲减、甲亢和 HT 为结局进行分析。根据 MR 研究的报告规范《STROBE-MR》声明,为确保结果的有效性,文章进行 MR 分析必须满足 3 个核心假设:① 选取的工具变量的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)必须与暴露因素显著相关;② 工具变量必须与暴露和结局之间的潜在混杂因素无关;③ 工具变量对结局因素的影响只通过暴露因素,而并非其他途径[18]。研究流程图见图1。

MR:孟德尔随机化;SNP:单核苷酸多态性;HT:桥本甲状腺炎;OP:骨质疏松症
1.2 数据来源
选择甲减、甲亢及 HT 作为暴露因素,OP 作为结局指标。暴露因素与结局指标数据均来自英国综合流行病学组建立的 GWAS 数据库。甲减数据包括

1.3 工具变量的选择
首先,在正向 MR 分析中,以甲亢、甲减、HT 为暴露因素,以 OP 为结局因素,从 GWAS 数据库中提取甲状腺功能障碍的数据,此次纳入相关性 SNP 满足 P<5×10−8,设置以系数 r2=0.01、遗传距离=
1.4 MR 分析
利用 R 4.3.1 软件进行分析。基于“Two-SampleMR”软件包进行 MR 分析。采用 5 种 MR 分析方法,其中逆方差加权法(inverse-variance weighted, IVW)为 MR 分析的金标准,该方法假设所有纳入分析的 SNP 都能作为有效工具变量,对研究结果的分析具有重要意义。以 MR-Egger 回归法、加权中位数法、简单模式法和加权模式法 4 种方法则作为补充,以此验证甲状腺功能障碍与 OP 之间的双向因果关联。
1.5 敏感性分析
采用 Cochran Q 检验评估异质性,当 Cochran Q 检验 P<0.05,表示 SNP 之间存在异质性,采用 IVW 的随机效应模型进行最终 MR 分析[21]。采用 MR-Egger 截距测试排除潜在的水平多效性,若其截距 P<0.05 代表存在水平多效性,即所选工具变量通过暴露以外的途径显著影响结果,反之则未存在水平多效性[22]。同时,为了评估存在的 SNP 对结果影响是否稳定,利用留一法进行敏感性分析。
2 结果
2.1 正向 MR 分析
2.1.1 工具变量的选择
甲减数据初步筛选出 90 个 SNP。利用这些 SNP 与结局相关联时,通过数据库提取 OP 的数据,删除 4 个丢失 SNP;删除 8 个存在回文序列的 SNP(rs148844907、rs187707293、rs2114702、rs2921053、rs3118469、rs34536443、rs41444548、rs9265699);使用 Phenoscanner 查找并去除 9 个影响 OP 相关潜在混杂因素的 SNP。在本研究中,所有工具变量对应的 F 值为 31.17~124.85,表明没有弱的工具变量,最终选择 69 个 SNP 作为工具变量进行后续的 MR 分析。
甲亢数据初步筛选出 20 个 SNP,剔除 2 个丢失 SNP,将其与结局数据集合并,删除 3 个存在回文序列的 SNP(rs12662112、rs385863、rs56401801);通过使用 Phenoscanner 并未发现混杂因素。所有工具变量的 F 值为 30.37~194.78,表明工具变量均有效。最终选择 15 个 SNP 作为工具变量评估甲亢和 OP 之间的关联。
在 HT 与 OP 影响中,利用了 18 个 SNP 作为工具变量,通过两者数据的整理与合并,剔除了 1 个缺失的 SNP;删除了 4 个存在回文序列的 SNP(rs1993945、rs2072109、rs757024、rs7754251);通过使用 Phenoscanner 剔除了 3 个 SNP。每个 SNP 对应的 F 值为 32.38~173.77,表明在分析中没有弱的工具变量,最终纳入 10 个 SNP 作为工具变量进行 MR 分析。
2.1.2 MR 分析
虽然部分方法结果无统计学意义(P>0.05),但 IVW 分析发现甲减、甲亢、HT 与 OP 之间均存在正向因果关系[P<0.05,比值比(odds ratio, OR)>1],见表2、图2。


a. 甲减对 OP 的因果关系分析;b. 甲亢对 OP 的因果关系分析;c. 桥本甲状腺炎对 OP 的因果关系分析。OP:骨质疏松症;MR:孟德尔随机化;SNP:单核苷酸多态性
2.1.3 敏感性分析
甲减、甲亢与 HT 数据经 MR-Egger 截距测试未检测到潜在的水平多效性(P>0.05),且 Cochran Q 检验显示筛选出的 SNP 不存在异质性(P>0.05),见表3。此外,本研究采用留一法逐个剔除 SNP,未发现个别的工具变量影响整体因果关系,进一步证实了结果的稳定性(图3)。


a. 甲减对 OP 的影响;b. 甲亢对 OP 的影响;c. 桥本甲状腺炎对 OP 的影响。OP:骨质疏松症;MR:孟德尔随机化;ALL:合计
2.2 反向 MR 分析
2.2.1 工具变量的选择
在反向 MR 分析中,最后纳入 22 个 SNP 作为工具变量,其 F 值均大于 10。
2.2.2 MR 分析
各种方法分析结果均不支持 OP 与甲状腺功能障碍风险之间的因果关系(表4)。

2.2.3 敏感性分析
MR-Egger 截距测试提示未出现水平多效性(P>0.05)。IVW 和 MR-Egeer 回归法的异质性检验结果提示 MR 分析结果均不存在异质性(P>0.05),且留一法也均未发现异常 SNP。见表5、图4。


a. 甲减对 OP 的影响;b. 甲亢对 OP 的影响;c. 桥本甲状腺炎对 OP 的影响。OP:骨质疏松症;MR:孟德尔随机化;ALL:合计
3 讨论
MR 分析是一种基于遗传变异为工具变量评估因果关系的研究办法,可以有效降低混杂因素的干扰,使得结果论证比观察性研究与随机对照试验更具有说服力[23]。因此,本研究通过提取 GWAS 汇总数据,利用 MR 方法探究甲状腺功能障碍对 OP 是否存在因果关系,此次研究结果表明甲减、甲亢、HT 三者与 OP 存在正向因果关系,这意味着甲亢、甲减与 HT 的发生可诱发 OP。而反向研究 MR 分析结果不支持 OP 会增加以上三者的发病风险,各敏感性分析也证实了该结果的稳定性。既往的一些研究发现甲状腺功能异常会增加 OP 的患病风险。Sobh 等[24]研究发现甲状腺疾病可导致成骨细胞与破骨细胞功能失调而诱发 OP。同样,Williams 等[25]的研究表明,甲状腺功能正常是维持成人骨结构和强度的基础,若出现甲状腺功能障碍,会出现骨质流失、骨密度降低,从而导致严重 OP 甚至骨折。其中,甲亢会导致骨转换率增高,骨重塑周期缩短,可使每个骨重塑周期减少骨密度 10%[26]。Duncan Bassett 等[27]发现患有甲减的大鼠中骨密度、骨代谢指标远低于正常值,这意味着甲减可增加患 OP 的风险。有研究表明,HT 患者骨微观结构会发生改变,骨密度低于正常人[28]。此次研究也进一步验证了甲状腺功能障碍会增加 OP 患病的风险,但甲状腺疾病诱发 OP 潜在的机制尚未清楚。
目前,甲减能否增加 OP 风险,临床的研究仍存在许多争议之处。Thayakaran 等[29]研究发现甲减可降低骨密度,且当促甲状腺素高于 10 mU/L 更易导致脆性骨折。郑家深等[30]研究甲状腺功能异常 50~80 岁男性骨密度的影响,结果显示甲减组患者的腰椎和髋关节骨密度低于对照组,说明甲减对骨密度有负向影响。而另一项研究发现,未经治疗的严重甲亢会影响骨密度,并增加高骨转换性 OP 的可能性,但还没有明确的数据表明成人骨密度与甲减之间存在任何关系[15]。一项关于绝经前甲减女性的骨代谢评估也显示甲减并不会影响骨密度[31]。在甲减治疗方面,利用左旋甲状腺素治疗甲减,尤其治疗过度时对骨代谢会产生负面影响,增加 OP 或骨折的重大风险[32]。同样,Karimifar等[33]研究结果显示利用甲状腺素治疗甲减会使骨密度降低,表明了在治疗方面也应重视药物对骨骼造成的影响。
对于甲亢影响 OP 发生的研究较多,但其诱发 OP 的机制尚未完全阐述,其主要与信号通路与细胞因子水平有关。研究表明甲亢患者白细胞介素-6、白细胞介素-10 和肿瘤坏死因子-α 水平会显著升高,而这些细胞因子可通过多种调节机制参与 OP 的发生[34]。其中肿瘤坏死因子-α 和白细胞介素-6 对骨有分解代谢作用,其可通过刺激核因子-κB 信号通路促进破骨细胞的分化,从而加速骨质流失;而白细胞介素-10 可抑制破骨细胞前体向成熟破骨细胞分化,从而抑制破骨细胞的产生[35-36]。这说明白细胞介素-6 与肿瘤坏死因子-α 水平升高可能是甲亢与 OP 的共同发病机制。此外,Lademann 等[37]研究认为,Wnt 信号通路对维持骨量和骨强度至关重要,它促进成骨细胞增殖和骨形成,抑制骨吸收,而甲亢的发生可使 Wnt 信号通路的活性下调,促进了 OP 的发生。上述研究表明,甲亢参与骨转换主要与相关细胞因子水平与信号通路改变密切相关。
目前,有研究表明 HT 对 OP 有一定的影响。Wu 等[16]认为 HT 患者的骨骼不仅受到甲状腺功能的影响,还受到自身免疫环境的影响,HT 患者自身如白细胞介素-17、白细胞介素-23、干扰素-γ 等免疫细胞异常激活,而这些细胞因子也参与了 OP 的发病过程。宋慧芳[38]研究发现患有 HT 但甲状腺功能正常的患者,腰椎和股骨颈的骨密度低于正常人,且患有 HT 的绝经后女性患者中 OP 患病率升高。另一项关于 HT 与骨密度和骨代谢的研究也表明了 HT 患者骨密度明显下降,且骨量减少或者 OP 的患病率显著升高。HT 常导致甲减,甲减时,甲状腺素水平降低,抑制骨组织重建,减缓骨钙更新,降低骨小梁和皮质骨的破骨细胞活性,最终引发骨质疏松[39]。甲状腺功能障碍常导致甲状腺激素分泌紊乱,而甲状腺激素在骨代谢中发挥重要作用,研究发现,缺乏甲状腺激素受体会抑制成骨细胞的分化,同时提高破骨细胞的活性,导致骨吸收增加和骨形成减少,最终引发 OP[40]。
综上所述,本研究利用 MR 分析甲减、甲亢和 HT 是 OP 的重要危险因素。甲亢和 HT 能够诱发 OP 这一点与既往研究保持一致。在既往研究中,甲减是否对骨代谢进程有影响仍有不同的研究结论[15],而本次研究进一步证实了甲减与 OP 的发生有密切的联系。但是,本研究仍存有局限性:在进行甲亢、HT 与 OP 正向 MR 分析时,样本量过少,这对结果稳健性有一定的干扰;本次 MR 分析所使用 GWAS 数据仅包括欧洲人群,因此在以后的研究中需要验证其他人种的适用性;本研究 GWAS 数据并未对全部临床常见的甲状腺疾病进行研究,还需更全面、更细致的研究,以获得更准确的结果。
利益冲突:所有作者声明不存在利益冲突。
骨质疏松症(osteoporosis, OP)是一种常见的慢性代谢性疾病[1],特征为骨量减少、骨微观结构被破坏从而导致骨脆性增加,且易发生全身性骨折[2]。流行病学调查报告显示,中国有
1 资料与方法
1.1 研究设计
本研究采用双向两样本 MR 分析方法对 OP 与甲状腺功能障碍进行因果分析,正向分析以甲减、甲亢和 HT 三者为暴露因素,OP 则为结局因素;反向分析以 OP 为暴露,甲减、甲亢和 HT 为结局进行分析。根据 MR 研究的报告规范《STROBE-MR》声明,为确保结果的有效性,文章进行 MR 分析必须满足 3 个核心假设:① 选取的工具变量的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)必须与暴露因素显著相关;② 工具变量必须与暴露和结局之间的潜在混杂因素无关;③ 工具变量对结局因素的影响只通过暴露因素,而并非其他途径[18]。研究流程图见图1。

MR:孟德尔随机化;SNP:单核苷酸多态性;HT:桥本甲状腺炎;OP:骨质疏松症
1.2 数据来源
选择甲减、甲亢及 HT 作为暴露因素,OP 作为结局指标。暴露因素与结局指标数据均来自英国综合流行病学组建立的 GWAS 数据库。甲减数据包括

1.3 工具变量的选择
首先,在正向 MR 分析中,以甲亢、甲减、HT 为暴露因素,以 OP 为结局因素,从 GWAS 数据库中提取甲状腺功能障碍的数据,此次纳入相关性 SNP 满足 P<5×10−8,设置以系数 r2=0.01、遗传距离=
1.4 MR 分析
利用 R 4.3.1 软件进行分析。基于“Two-SampleMR”软件包进行 MR 分析。采用 5 种 MR 分析方法,其中逆方差加权法(inverse-variance weighted, IVW)为 MR 分析的金标准,该方法假设所有纳入分析的 SNP 都能作为有效工具变量,对研究结果的分析具有重要意义。以 MR-Egger 回归法、加权中位数法、简单模式法和加权模式法 4 种方法则作为补充,以此验证甲状腺功能障碍与 OP 之间的双向因果关联。
1.5 敏感性分析
采用 Cochran Q 检验评估异质性,当 Cochran Q 检验 P<0.05,表示 SNP 之间存在异质性,采用 IVW 的随机效应模型进行最终 MR 分析[21]。采用 MR-Egger 截距测试排除潜在的水平多效性,若其截距 P<0.05 代表存在水平多效性,即所选工具变量通过暴露以外的途径显著影响结果,反之则未存在水平多效性[22]。同时,为了评估存在的 SNP 对结果影响是否稳定,利用留一法进行敏感性分析。
2 结果
2.1 正向 MR 分析
2.1.1 工具变量的选择
甲减数据初步筛选出 90 个 SNP。利用这些 SNP 与结局相关联时,通过数据库提取 OP 的数据,删除 4 个丢失 SNP;删除 8 个存在回文序列的 SNP(rs148844907、rs187707293、rs2114702、rs2921053、rs3118469、rs34536443、rs41444548、rs9265699);使用 Phenoscanner 查找并去除 9 个影响 OP 相关潜在混杂因素的 SNP。在本研究中,所有工具变量对应的 F 值为 31.17~124.85,表明没有弱的工具变量,最终选择 69 个 SNP 作为工具变量进行后续的 MR 分析。
甲亢数据初步筛选出 20 个 SNP,剔除 2 个丢失 SNP,将其与结局数据集合并,删除 3 个存在回文序列的 SNP(rs12662112、rs385863、rs56401801);通过使用 Phenoscanner 并未发现混杂因素。所有工具变量的 F 值为 30.37~194.78,表明工具变量均有效。最终选择 15 个 SNP 作为工具变量评估甲亢和 OP 之间的关联。
在 HT 与 OP 影响中,利用了 18 个 SNP 作为工具变量,通过两者数据的整理与合并,剔除了 1 个缺失的 SNP;删除了 4 个存在回文序列的 SNP(rs1993945、rs2072109、rs757024、rs7754251);通过使用 Phenoscanner 剔除了 3 个 SNP。每个 SNP 对应的 F 值为 32.38~173.77,表明在分析中没有弱的工具变量,最终纳入 10 个 SNP 作为工具变量进行 MR 分析。
2.1.2 MR 分析
虽然部分方法结果无统计学意义(P>0.05),但 IVW 分析发现甲减、甲亢、HT 与 OP 之间均存在正向因果关系[P<0.05,比值比(odds ratio, OR)>1],见表2、图2。


a. 甲减对 OP 的因果关系分析;b. 甲亢对 OP 的因果关系分析;c. 桥本甲状腺炎对 OP 的因果关系分析。OP:骨质疏松症;MR:孟德尔随机化;SNP:单核苷酸多态性
2.1.3 敏感性分析
甲减、甲亢与 HT 数据经 MR-Egger 截距测试未检测到潜在的水平多效性(P>0.05),且 Cochran Q 检验显示筛选出的 SNP 不存在异质性(P>0.05),见表3。此外,本研究采用留一法逐个剔除 SNP,未发现个别的工具变量影响整体因果关系,进一步证实了结果的稳定性(图3)。


a. 甲减对 OP 的影响;b. 甲亢对 OP 的影响;c. 桥本甲状腺炎对 OP 的影响。OP:骨质疏松症;MR:孟德尔随机化;ALL:合计
2.2 反向 MR 分析
2.2.1 工具变量的选择
在反向 MR 分析中,最后纳入 22 个 SNP 作为工具变量,其 F 值均大于 10。
2.2.2 MR 分析
各种方法分析结果均不支持 OP 与甲状腺功能障碍风险之间的因果关系(表4)。

2.2.3 敏感性分析
MR-Egger 截距测试提示未出现水平多效性(P>0.05)。IVW 和 MR-Egeer 回归法的异质性检验结果提示 MR 分析结果均不存在异质性(P>0.05),且留一法也均未发现异常 SNP。见表5、图4。


a. 甲减对 OP 的影响;b. 甲亢对 OP 的影响;c. 桥本甲状腺炎对 OP 的影响。OP:骨质疏松症;MR:孟德尔随机化;ALL:合计
3 讨论
MR 分析是一种基于遗传变异为工具变量评估因果关系的研究办法,可以有效降低混杂因素的干扰,使得结果论证比观察性研究与随机对照试验更具有说服力[23]。因此,本研究通过提取 GWAS 汇总数据,利用 MR 方法探究甲状腺功能障碍对 OP 是否存在因果关系,此次研究结果表明甲减、甲亢、HT 三者与 OP 存在正向因果关系,这意味着甲亢、甲减与 HT 的发生可诱发 OP。而反向研究 MR 分析结果不支持 OP 会增加以上三者的发病风险,各敏感性分析也证实了该结果的稳定性。既往的一些研究发现甲状腺功能异常会增加 OP 的患病风险。Sobh 等[24]研究发现甲状腺疾病可导致成骨细胞与破骨细胞功能失调而诱发 OP。同样,Williams 等[25]的研究表明,甲状腺功能正常是维持成人骨结构和强度的基础,若出现甲状腺功能障碍,会出现骨质流失、骨密度降低,从而导致严重 OP 甚至骨折。其中,甲亢会导致骨转换率增高,骨重塑周期缩短,可使每个骨重塑周期减少骨密度 10%[26]。Duncan Bassett 等[27]发现患有甲减的大鼠中骨密度、骨代谢指标远低于正常值,这意味着甲减可增加患 OP 的风险。有研究表明,HT 患者骨微观结构会发生改变,骨密度低于正常人[28]。此次研究也进一步验证了甲状腺功能障碍会增加 OP 患病的风险,但甲状腺疾病诱发 OP 潜在的机制尚未清楚。
目前,甲减能否增加 OP 风险,临床的研究仍存在许多争议之处。Thayakaran 等[29]研究发现甲减可降低骨密度,且当促甲状腺素高于 10 mU/L 更易导致脆性骨折。郑家深等[30]研究甲状腺功能异常 50~80 岁男性骨密度的影响,结果显示甲减组患者的腰椎和髋关节骨密度低于对照组,说明甲减对骨密度有负向影响。而另一项研究发现,未经治疗的严重甲亢会影响骨密度,并增加高骨转换性 OP 的可能性,但还没有明确的数据表明成人骨密度与甲减之间存在任何关系[15]。一项关于绝经前甲减女性的骨代谢评估也显示甲减并不会影响骨密度[31]。在甲减治疗方面,利用左旋甲状腺素治疗甲减,尤其治疗过度时对骨代谢会产生负面影响,增加 OP 或骨折的重大风险[32]。同样,Karimifar等[33]研究结果显示利用甲状腺素治疗甲减会使骨密度降低,表明了在治疗方面也应重视药物对骨骼造成的影响。
对于甲亢影响 OP 发生的研究较多,但其诱发 OP 的机制尚未完全阐述,其主要与信号通路与细胞因子水平有关。研究表明甲亢患者白细胞介素-6、白细胞介素-10 和肿瘤坏死因子-α 水平会显著升高,而这些细胞因子可通过多种调节机制参与 OP 的发生[34]。其中肿瘤坏死因子-α 和白细胞介素-6 对骨有分解代谢作用,其可通过刺激核因子-κB 信号通路促进破骨细胞的分化,从而加速骨质流失;而白细胞介素-10 可抑制破骨细胞前体向成熟破骨细胞分化,从而抑制破骨细胞的产生[35-36]。这说明白细胞介素-6 与肿瘤坏死因子-α 水平升高可能是甲亢与 OP 的共同发病机制。此外,Lademann 等[37]研究认为,Wnt 信号通路对维持骨量和骨强度至关重要,它促进成骨细胞增殖和骨形成,抑制骨吸收,而甲亢的发生可使 Wnt 信号通路的活性下调,促进了 OP 的发生。上述研究表明,甲亢参与骨转换主要与相关细胞因子水平与信号通路改变密切相关。
目前,有研究表明 HT 对 OP 有一定的影响。Wu 等[16]认为 HT 患者的骨骼不仅受到甲状腺功能的影响,还受到自身免疫环境的影响,HT 患者自身如白细胞介素-17、白细胞介素-23、干扰素-γ 等免疫细胞异常激活,而这些细胞因子也参与了 OP 的发病过程。宋慧芳[38]研究发现患有 HT 但甲状腺功能正常的患者,腰椎和股骨颈的骨密度低于正常人,且患有 HT 的绝经后女性患者中 OP 患病率升高。另一项关于 HT 与骨密度和骨代谢的研究也表明了 HT 患者骨密度明显下降,且骨量减少或者 OP 的患病率显著升高。HT 常导致甲减,甲减时,甲状腺素水平降低,抑制骨组织重建,减缓骨钙更新,降低骨小梁和皮质骨的破骨细胞活性,最终引发骨质疏松[39]。甲状腺功能障碍常导致甲状腺激素分泌紊乱,而甲状腺激素在骨代谢中发挥重要作用,研究发现,缺乏甲状腺激素受体会抑制成骨细胞的分化,同时提高破骨细胞的活性,导致骨吸收增加和骨形成减少,最终引发 OP[40]。
综上所述,本研究利用 MR 分析甲减、甲亢和 HT 是 OP 的重要危险因素。甲亢和 HT 能够诱发 OP 这一点与既往研究保持一致。在既往研究中,甲减是否对骨代谢进程有影响仍有不同的研究结论[15],而本次研究进一步证实了甲减与 OP 的发生有密切的联系。但是,本研究仍存有局限性:在进行甲亢、HT 与 OP 正向 MR 分析时,样本量过少,这对结果稳健性有一定的干扰;本次 MR 分析所使用 GWAS 数据仅包括欧洲人群,因此在以后的研究中需要验证其他人种的适用性;本研究 GWAS 数据并未对全部临床常见的甲状腺疾病进行研究,还需更全面、更细致的研究,以获得更准确的结果。
利益冲突:所有作者声明不存在利益冲突。