研究文章

肿瘤坏死因子通路生物标志物与髋部骨折风险之间无显著直接因果关联:一项基于真实世界数据的研究

DOI:

10.3791/70376

2026年6月5日

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

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本研究将FAERS药物警戒数据与孟德尔随机化相结合,以评估TNF通路生物标志物与髋部骨折风险之间的关联。通过整合真实世界中的不良事件监测与遗传因果推断,该工作流程提供了一种可重复的方法,用于在随机对照试验不可行、不切实际或在实践中存在伦理困难时评估生物标志物与结局之间的关系。

摘要

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髋部骨折是老年人群中常见且严重的疾病,常与TNF-α信号通路的改变相关。然而,很少有研究探讨TNF通路生物标志物的变化是否会影响髋部骨折的风险。本研究利用2014年第一季度至2023年第四季度的数据,分析了五种TNF抑制剂报告的与髋部骨折相关的不良事件。在完成数据标准化和清理后,采用四种不成比例性分析方法,包括报告比值比、成比例报告比、多项目伽马泊松收缩器以及贝叶斯置信传播神经网络,评估TNF抑制剂暴露与髋部骨折结局之间的关联。进一步采用孟德尔随机化分析,以TNF-α、sTNFR1和sTNFR2为暴露因素,髋部骨折为结局指标。药物警戒分析结果显示,在四种算法中,TNF抑制剂暴露与髋部骨折相关不良事件之间均无显著关联。孟德尔随机化分析未发现遗传预测的TNF-α与髋部骨折风险之间存在显著的直接因果关系,对sTNFR1和sTNFR2的额外分析也得出一致结果。这些发现提示,TNF通路生物标志物不太可能作为髋部骨折风险的独立直接决定因素,可能为未来机制研究和预防策略提供有益的基础。

引言

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髋部骨折是老年人群中一种常见且严重的临床病症,其临床表现通常以髋部疼痛和功能障碍为特征1髋部骨折不仅对患者造成严重影响,也给家庭和社会带来沉重负担。对患者而言,髋部骨折常伴随长期住院和康复过程,对老年患者的身心健康产生重大影响。2,3,4在家庭层面,患者通常需要家庭成员提供长期照护,这会增加家庭的经济和情感负担,尤其是对低收入家庭而言,影响可能更为显著5在社会层面,髋部骨折的高发病率不仅增加了医疗资源的消耗,也对老龄化社会的健康保障体系构成了挑战6,7从流行病学角度来看,全球范围内髋部骨折的发病率每年呈上升趋势,这与人口老龄化密切相关8老年人,尤其是老年女性,发生髋部骨折的风险较高,约75%的髋部骨折病例发生在65岁以上的老年女性人群中。9,10,11因此,有必要对髋部骨折开展相关研究,以探讨其发生与发展的机制,这有助于更好地预防和治疗髋部骨折。既往研究表明,髋部骨折可能伴随TNF-α表达改变及炎症激活12,13然而,遗传预测的TNF通路生物标志物改变是否与髋部骨折风险存在因果关联,目前尚不明确14因此,本研究旨在探讨TNF通路生物标志物是否与髋部骨折风险存在因果关联。研究中包括了五种TNF抑制剂,如依那西普15,阿达木单抗16,英夫利西单抗17,培戈替诺单抗18, 和戈利木单抗19,被选用于药物安全监测分析。利用FAERS数据库识别与这些药物相关的髋部骨折不良事件报告,并进行补充的孟德尔随机化(MR)分析以进一步评估因果关系。

有多种方法学途径可用于探讨这一问题,但每种方法均有重要局限性。传统的观察性研究(如队列研究和病例对照研究)有助于在临床人群中识别关联,但常受到残余混杂、指征偏倚、反向因果关系以及对疾病严重程度、合并症或合并用药调整不充分的影响20。随机对照试验可提供更强的因果证据,但对于长期结局(如髋部骨折)的研究,这类试验往往成本高昂、耗时较长且实施困难,尤其是当感兴趣的暴露涉及炎症生物标志物或上市后药物安全事件时尤为如此21。独立开展的药物警戒分析可在大规模真实世界人群中检测潜在的安全信号,但由于漏报、重复报告、数据缺失、报告偏倚以及缺乏分母信息,自发报告数据本身无法独立确立因果关系22。相反,独立应用孟德尔随机化方法可通过将遗传变异作为工具变量来加强因果推断,但其无法直接反映真实世界中的上市后药物安全模式,且在缺乏有效工具变量或存在水平多效性时可能受限23

美国食品药品监督管理局(FDA)不良事件报告系统(FAERS)是由美国食品药品监督管理局(FDA)建立的数据库,用于收集和监测药品安全信息24。该系统记录来自患者、医疗专业人员和药品制造商等多个来源的药品不良事件报告,是监测和评估药品不良反应的重要工具25。FAERS数据库中的信息被广泛应用于药品安全性分析与研究,许多学术研究和临床实践指南的制定均基于该平台的数据26。例如,可用于监测免疫抑制剂相关不良事件及其他相关不良反应的风险27,28。与传统的临床研究相比,自发报告系统能够以相对较低的成本在大规模真实世界人群中捕捉罕见或延迟出现的不良事件29。然而,这类系统容易受到漏报、重复报告、数据缺失和报告偏倚的影响,因此无法独立确立因果关系30,31

孟德尔随机化是一种利用遗传变异作为工具变量来研究暴露因素与疾病之间因果关系的统计方法32。在药物不良反应的研究中,孟德尔随机化可用于识别潜在的因果关系,并为其提供可靠的证据支持。孟德尔随机化的有效性依赖于三个假设,如图1所示33,34,35:所选的遗传变异与暴露因素密切相关;这些变异仅通过暴露途径影响结局;且这些变异与主要混杂因素无关。与传统的观察性研究相比,孟德尔随机化更不易受到残余混杂和反向因果关系的影响,因为遗传变异在受精时随机分配,并在人的一生中基本保持稳定36,37。然而,当缺乏有效的工具变量、水平多效性显著或暴露效应具有较强的时间依赖性时,该方法可能不太适用38

通过将FAERS药物安全监测分析与孟德尔随机化相结合,本工作流程将真实世界的安全性监测与遗传因果推断整合在一起。当随机对照试验不可用、不切实际或不符合伦理,且需要补充证据来评估生物标志物与结局之间的关系时,这种综合方法尤为适用39。在实际应用中,FAERS-孟德尔随机化工作流程在满足以下条件时最为适用:第一,药物-事件或生物标志物-结局关系具有临床重要性,但在随机试验中难以充分验证40;第二,上市后真实世界安全性数据可获取,并可用于筛查或表征不良事件信号;第三,暴露因素和结局均有合适的全基因组关联研究汇总统计学数据可用;第四,研究者旨在将信号检测与遗传因果推断相结合,而非单独依赖其中任一方法。在这些条件下,FAERS可提供关于潜在安全性信号是否存在的真实世界证据,而孟德尔随机化则可进一步评估相关生物标志物或通路是否可能与结局存在直接因果关系。该综合工作流程在评估罕见、延迟发生或因伦理原因难以研究的结局方面特别有用,也可在传统流行病学设计受限时生成更为稳健的证据41

基于上述原理,本研究旨在建立并展示一种整合FAERS与孟德尔随机化(Mendelian randomization)的工作流程,用于在传统因果推断方法受限时评估药物-事件安全性信号以及生物标志物-结局之间的因果关系。首先利用FAERS药物警戒分析筛选并表征与肿瘤坏死因子(TNF)抑制剂相关的髋部骨折不良事件报告;随后应用孟德尔随机化方法,评估由基因预测的TNF通路生物标志物(包括TNF-α、sTNFR1和sTNFR2)是否与髋部骨折风险存在因果关联。通过将上市后安全监测与遗传学因果推断相结合,该工作流程为今后研究具有临床意义的药物-事件或生物标志物-结局关系提供了可重复的方法学参考。

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方案

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FAERS 数据来源

本研究的真实世界数据来自FAERS数据库(https://fis.fda.gov/extensions/FPD-QDE-FAERS/FPD-QDE-FAERS.html)。该数据库为公开可访问且匿名化的数据库,因此本研究无需伦理审批。所包含的五种药物信息见表1。检索时首先将不良事件限定为髋部骨折,检索时间范围为2014年第一季度至2023年第四季度。为确保数据的可靠性和稳定性,本研究通过MedDRA字典26.1版42对报告的不良事件术语进行了标准化。从2014年第一季度至2023年第四季度的FAERS季度ASCII文件被下载并导入用于分析。提取的FAERS表格包括DEMO、DRUG、REAC、THER、RPSR和OUTC。这些表格在筛选前被合并至所有季度。通过CASEID和PRIMARYID链接报告,以确保人口学、药物、反应、治疗、报告者和结局信息之间的一致性。目标药物包括etanercept、adalimumab、infliximab、certolizumab pegol和golimumab。DRUG表中的药物名称通过转换为大写、去除多余空格以及必要时核对拼写变体进行标准化。使用DRUG表中的标准化通用名称识别目标药物,并通过ROLE_COD = “PS”进行药物角色限制,表示主要可疑药物43。具体的研究筛选技术路线见图2。在完成数据清洗和筛选后,获得了一个唯一且可分析的符合条件的髋部骨折报告数据集,用于后续分析。

在信号检测前已去除FAERS数据库中的重复报告。重复报告根据CASEID和PRIMARYID进行识别。当多份报告具有相同的CASEID时,依据FDA_DT保留最新提交的报告;若多份报告的CASEID和FDA_DT均相同,则保留PRIMARYID值最高的报告。去重后,每个CASEID仅向最终分析数据集贡献一条记录。纳入分析的报告需同时满足以下所有条件:报告时间在2014年第一季度至2023年第四季度之间;不良事件被编码为“髋部骨折”;DRUG表中记录了至少一种以下五种TNF抑制剂;且药物作用被编码为“主要可疑药物”。若报告属于重复记录、缺乏有效的CASEID或PRIMARYID信息、无对应的DRUG或REAC条目、未包含目标不良事件,或仅将目标TNF抑制剂列为合并用药或次要可疑药物,则予以排除。

用于孟德尔随机化的全基因组关联研究数据来源

本研究中孟德尔随机化分析所用的TNF-α暴露数据来自IEU OpenGWAS数据库(https://gwas.mrcieu.ac.uk/),GWAS ID为prot-c-3722_49_2,源自Suhre K等人的研究。研究人群为欧洲血统,SNP数量为501,42844

本研究中孟德尔随机化分析的sTNFR1暴露数据来自IEU OpenGWAS数据库(https://gwas.mrcieu.ac.uk/),GWAS ID为prot-c-2654_19_1,源自Suhre K等人的研究。研究人群为欧洲血统,SNP数量为501,42844

本研究中孟德尔随机化分析的sTNFR2暴露数据来自IEU OpenGWAS数据库(https://gwas.mrcieu.ac.uk/),GWAS编号为prot-c-3152_57_1,源自Suhre K等人的研究。研究人群为欧洲血统,SNP数量为501,428个44

髋部骨折的结果数据(GWAS ID GCST90161240)已存入GWAS目录(https://www.ebi.ac.uk/gwas/studies/GCST90161240),这些数据来自一项大规模全基因组关联研究(GWAS)的荟萃分析,共包括11,516例髋部骨折病例和723,838名对照者45。该疾病分类与国际疾病分类(ICD;ICD-10编码S72.0–S72.2以及ICD-9编码820)一致。

在原始的全基因组关联研究(GWAS)中已获得伦理批准和知情同意。由于本研究使用的是公开可获取的匿名FAERS数据以及公开可用的GWAS汇总统计资料,因此无需额外的伦理审批。

软件环境与工作流程实现

所有分析均使用 R 4.3.2 版本完成。FAERS 数据的导入、清洗、合并和制表均通过基于 R 的数据管理流程实现。数据表使用 data.table::fread() 或 readr::read_delim() 等函数导入,通过 CASEID 和 PRIMARYID 进行合并,并利用 dplyr 函数进行处理。描述性统计和 2 × 2 列联表由自定义的 R 脚本生成。

使用 TwoSampleMR 0.5.6 版本进行孟德尔随机化分析。暴露工具变量通过显著性阈值 P < 1 × 10⁻5 从全基因组关联研究(GWAS)汇总统计量中提取,或使用与 TwoSampleMR 兼容的输入结构进行格式化。使用 clump_data() 函数进行工具变量的连锁不平衡剔除(clumping),参数设置为 clump_r2 = 0.001 和 clump_kb = 10,000。根据数据来源格式,使用 extract_outcome_data() 或 read_outcome_data() 函数提取或格式化结局数据。暴露和结局数据集通过 harmonise_data() 函数进行数据一致性处理。使用 mr() 函数生成因果效应估计值,所采用的孟德尔随机化方法包括:MR-Egger、加权中位数法、逆方差加权法、简单众数法和加权众数法。使用 mr_heterogeneity() 评估异质性,使用 mr_pleiotropy_test() 检测水平多效性。所有数据集均在此软件环境中导入、清理、一致性处理和分析,以确保分析流程的一致性和可重复性。

药物警戒分析

采用描述性分析方法总结与这五种药物相关的髋部骨折不良事件。随后使用四种不成比例性检测算法进行信号检测分析,包括报告比值比(ROR)、成比例报告比(PRR)、多项目伽马泊松收缩器(MGPS)和贝叶斯置信传播神经网络(BCPNN)。四种主要算法的判定标准见表246

孟德尔随机化分析

提取TNF-α、sTNFR1和sTNFR2的汇总统计数据作为暴露数据集,提取髋部骨折的汇总统计数据作为结局数据集。在可获得的情况下,分析仅限于欧洲血统的数据集,以减少人群分层偏倚。

为尽量减少由连锁不平衡和弱工具变量引起的偏倚,应用了以下标准:全基因组显著性阈值 P < 1 × 10⁻5,连锁不平衡阈值 r2 < 0.001,聚类窗口为 10,000 kb,且 F 统计量 > 20。对每个保留的工具变量,通过 beta2/se2 计算其 F 统计量以评估工具变量的强度。F 统计量 ≤ 20 的 SNP 被排除在后续分析之外。

在选择SNP后,对暴露和结局数据集进行整合,以使效应等位基因保持一致。整合过程中,暴露数据集与结局数据集之间的效应等位基因及其他等位基因被对齐。剔除等位基因不兼容的SNP,并在无法确定链方向时,排除具有模糊等位基因频率的回文SNP。整合完成后,对保留的SNP进行检查,以确认两个数据集中β系数均对应相同的效应等位基因。每种暴露在聚类和整合后保留的SNP数量被记录下来,作为中间可重复性检查点。

应用了五种孟德尔随机化方法,包括MR-Egger、加权中位数法、逆方差加权法、简单模式法和加权模式法。使用Cochran’s Q检验评估工具变量的潜在异质性,当P < 0.05时认为存在显著异质性。利用MR-Egger截距检验评估潜在的水平多效性,当P < 0.05时提示存在多效性,表明因果估计的可靠性降低47。这些分析为每个暴露因素生成了因果效应估计值以及异质性和多效性统计量。

可重复性的中间检查点

在每个主要处理步骤之后均记录了中间检查点,以确保工作流程的可重复性。对于FAERS工作流程,检查点包括导入的DEMO记录数量、去重后的唯一记录数量、包含髋部骨折作为目标不良事件的报告数量、涉及五种TNF抑制剂的报告数量,以及最终将TNF抑制剂记录为主要可疑药物的合格报告数量。对于孟德尔随机化工作流程,检查点包括每种暴露提取的SNP数量、连锁不平衡剔除后保留的SNP数量、在结局数据集中可用的SNP数量、经过数据协调后保留的SNP数量,以及每次孟德尔随机化分析中最终使用的工具变量SNP数量。

统计报告

连续性结果以相应的效应估计值、95% 置信区间(95% CI)和 P 值表示。除非另有说明,统计学显著性定义为双侧 P < 0.05。在药物警戒分析中,针对每种单独的肿瘤坏死因子(TNF)抑制剂以及合并的 TNF 抑制剂组,分别报告了描述性计数和不成比例性估计值。在孟德尔随机化分析中,针对每种暴露因素,报告了因果估计值、标准误、95% 置信区间、P 值、异质性统计量、多效性检验结果以及保留的单核苷酸多态性(SNP)数量。

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结果

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描述性分析结果

详细的数据清洗和筛选流程总结于图2。最初从DEMO表中检索到共计15,428,448条记录。去除重复项后,保留了13,447,292条唯一的DEMO记录。经过数据标准化、去重以及跨表关联后,各FAERS表格中最终可用的记录数分别为:DRUG表27,260,995条,REAC表18,851,426条,THER表12,573,760条,RPSR表6,448,188条,OUTC表7,645,965条。在所有筛选出的记录中,有7,852份报告将髋部骨折列为不良事件,且所涉药物被列为主要可疑药物。在进一步限定分析范围至被列为主要可疑药物的TNF抑制剂后,最终保留了472份唯一可分析的报告作为研究人群,如表3所示。图3展示了每年不良事件报告的病例数量。其中,女性患者335例(71.0%),男性患者94例(19.9%)。病例占比最高的是65岁及以上年龄组,占56.5%。报告主要由医师提交,共25...

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讨论

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本研究整合了来自真实世界药物警戒数据的五种肿瘤坏死因子(TNF)抑制剂,并结合孟德尔随机化分析,以评估TNF通路生物标志物是否与髋部骨折风险存在因果关联。研究结果一致表明,未发现TNF-α与髋部骨折风险之间存在显著的直接因果关系,对sTNFR1和sTNFR2的进一步分析也得出一致结果。这些发现支持在无法开展或难以实施随机对照试验时,将自发报告的安全性数据与遗传学因果推断相结合的应用价值。除这些实证结果外,本研究还提供了一个可重复的协议框架,用于整合自发报告的药物警戒数据与基于遗传信息的因果推断。在此工作流程中,FAERS用于刻画真实世界中的不良事件报告模式,而孟德尔随机化则用于评估某一生物标志物或通路是否可能对临床结局产生独立的因果效应。因此,该工作流程不仅旨在回答特定的TNF相关研究问题,还旨在展示一种可推广的方法学策略,用于在无法开展、不可行或伦理上难以实施随机试验的情况下进行安全性信号评估与因果三角验证。

与传统的队列研究和病例对照研究相比,这种联合工作流程对长期前瞻性随访的依赖性较低,能够利用上市后数据快速生成真实世界的安全性证据48

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披露

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作者声明无竞争利益。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
通用实验室计算机工作站设备通用实验室计算机N/A
FDA 不良事件报告系统数据库公开的药物警戒数据库美国食品药品监督管理局https://fis.fda.gov/extensions/FPD-QDE-FAERS/FPD-QDE-FAERS.html
FAERS 季度 ASCII 文件公开的药物警戒数据文件美国食品药品监督管理局2014 年第 1 季度至 2023 年第 4 季度;DEMO、DRUG、REAC、THER、RPSR 和 OUTC 表
MedDRA 字典版本 26.1医学术语资源MedDRA 维护与支持服务组织https://www.meddra.org/
IEU OpenGWAS 数据库公开的 GWAS 数据库英国布里斯托大学 MRC 整合流行病学单位https://gwas.mrcieu.ac.uk/
TNF-α GWAS 汇总统计量暴露 GWAS 数据集IEU OpenGWAS 数据库GWAS ID: prot-c-3722_49_2
sTNFR1 GWAS 汇总统计量暴露 GWAS 数据集IEU OpenGWAS 数据库GWAS ID: prot-c-2654_19_1
sTNFR2 GWAS 汇总统计量暴露 GWAS 数据集IEU OpenGWAS 数据库GWAS ID: prot-c-3152_57_1
GWAS 目录公开的 GWAS 数据库欧洲生物信息学研究所https://www.ebi.ac.uk/gwas/
髋部骨折 GWAS 汇总统计量结局 GWAS 数据集GWAS 目录登录号:GCST90161240;https://www.ebi.ac.uk/gwas/studies/GCST90161240
R 版本 4.3.2统计计算环境R 统计计算基金会https://www.r-project.org/
data.table 包R 软件包R 软件包仓库 / R 社区https://cran.r-project.org/package=data.table
dplyr 包R 软件包R 软件包仓库 / R 社区https://cran.r-project.org/package=dplyr
readr 包R 软件包R 软件包仓库 / R 社区https://cran.r-project.org/package=readr
stringr 包R 软件包R 软件包仓库 / R 社区https://cran.r-project.org/package=stringr
vroom 包R 软件包R 软件包仓库 / R 社区https://cran.r-project.org/package=vroom
TwoSampleMR 版本 0.5.6用于孟德尔随机化的 R 软件包MRC 整合流行病学单位https://mrcieu.github.io/TwoSampleMR/
用于 FAERS 数据处理的自定义 R 脚本分析脚本由研究作者编写作为补充文件提供
用于孟德尔随机化的自定义 R 脚本分析脚本由研究作者编写作为补充文件提供

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标签

TNF TNF sTNFR1 sTNFR2

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