이 프로토콜은 멘델 무작위화 분석을 사용하여 식이 영양소가 안구 질환에 미치는 인과적 효과를 조사하는 방법을 설명합니다. 이 접근법은 주요 안과 질환의 잠재적 영양 위험과 보호 요인을 식별할 수 있게 합니다.
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연구 논문
이 프로토콜은 멘델 무작위화 분석을 사용하여 식이 영양소가 안구 질환에 미치는 인과적 효과를 조사하는 방법을 설명합니다. 이 접근법은 주요 안과 질환의 잠재적 영양 위험과 보호 요인을 식별할 수 있게 합니다.
근시와 백내장, 녹내장, 노화 관련 황반변성(AMD)과 같은 주요 안구 질환은 전 세계적으로 점점 더 공중보건 문제를 야기하고 있습니다. 영양이 안구 발달과 퇴행에 영향을 미치는 것으로 여겨지지만, 인과관계에 대한 증거는 제한적입니다. 대규모 유전체 연관 연구(GWAS) 요약 데이터를 사용하여 식이 다량영양소 및 미량영양소 섭취가 근시 및 기타 안구 질환 위험에 미치는 인과적 영향을 평가하기 위해 2표본 멘델 무작위화(MR) 분석을 수행하였습니다. 역분산가중법(IVW) 방법이 주요 분석으로 사용되었으며, 민감도 검사에는 가중 중앙값, MR-Egger, MR-PRESSO가 뒷받침하였습니다. 다중 비교를 고려하기 위해 거짓 발견률(FDR) 보정이 적용되었습니다. FDR 조정 후에도 유전적으로 예측된 비타민 C 수치가 높을수록 AMD 위험 증가와 유의하게 연관되어 있었습니다(오즈비 [OR] = 1.324, 95% 신뢰구간 [CI]: 1.133–1.546). 명목상 유의수준(P < 0.05)에서 여러 추가 연관성이 관찰되었으며, 여기에는 근시 위험 증가 시 상대적 식이 지방 섭취 증가(OR = 1.033, 95% 신뢰구간: 1.003–1.063), 백내장 위험 감소 시 설탕 섭취(OR = 0.746, 95% 신뢰구간: 0.561–0.993), 근시 위험 감소 시 철분 섭취(OR = 0.995, 95% 신뢰구간: 0.991–0.999), 백내장 위험 증가 (OR = 1.256, 95% 신뢰구간: 1.062–1.487), 백내장 위험 감소 (OR = 0.843, 95% 신뢰구간: 0.724–0.981), 녹내장 위험 감소 인 (OR = 0.727, 95% 신뢰구간: 0.554–0.953). 수평 다면성이나 이질성에 대한 증거는 관찰되지 않았습니다. 이러한 발견은 특정 영양소가 안구 질환 위험에 인과적 역할을 할 가능성을 시사하지만, 대부분의 연관성은 여러 차례 검사 교정 후에도 유의미하지 않았으므로 신중하게 해석해야 합니다. 이러한 발견을 확인하고 그 근본적인 생물학적 메커니즘을 탐구하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.
안구 질환으로 인한 시각 장애는 사회경제적 및 삶의 질에 중대한 영향을 미치는 전 세계적 공중보건 과제로 증가하고 있습니다. 1,2,3. 이들 질환 중에서, 굴절이상이 시력 상실의 주요 원인으로 떠오르고 있으며, 특히 동아시아와 동남아시아에서 젊은 성인 사이에서 80–90%에 이르는 유병률이 있으며, 고근시는 인구의 최대 20%에 영향을 미칩니다. 최근 역학적 증거는 전 세계적으로 근시 유병률이 계속 증가하고 있음을 시사하며, 최신 연구들은 특히 디지털 스크린 노출 증가와 야외 활동 감소 등 현대 생활 방식 변화가 이러한 추세에 기여했다고 강조했습니다5. 예측에 따르면 2050년까지 전 세계 인구의 거의 절반이 근시에 걸릴 수 있으며, 약 10%가 고도 근시와 그에 따른 시력 위협 합병증을 겪을 수 있습니다. 근시 외에도 노화 관련 황반변성(AMD), 백내장, 녹내장과 같은 주요 안구 질환도 전 세계 시력 손실에 크게 기여합니다 6,7,8. 시력 손실 진행을 멈추는 보편적으로 효과적인 개입이 없는 상황에서, 변화 가능한 환경 및 생활습관 요인을 식별하는 것이 효과적인 예방 전략 개발에 매우 중요합니다.
이 질환들은 유전적 소인과 환경 노출 모두를 포함하는 복잡한 병인을 공유합니다. 새로운 증거는 영양이 안구 발달, 망막 대사, 산화 스트레스 조절, 그리고 다양한 안구 조직의 구조적 완전성 유지에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다 9,10,11. 비타민 A, 비타민 D, 아연, 철분 등 여러 미량 영양소는 광수용체 기능, 혈관 조절, 항산화 방어 기능을 지원함으로써 안구 건강 유지에 관여하는 것으로 알려져 있습니다 12,13,14,15. 예를 들어, 비타민 D는 안구 성장과 염증 경로에 영향을 미치는 것으로 제안되며, 철분은 망막 대사와 산화 스트레스 조절에 필수적인 역할을 하며, 아연은 항산화 방어와 망막 색소 상피 기능에 관여합니다. 또한, 지방과 탄수화물과 같은 식이 다량 영양소는 지질 대사, 인슐린 신호 전달, 염증 반응 등 전신 대사 경로를 통해 안구 건강에 영향을 미칠 수 있습니다16,17. 그러나 이러한 영양소를 조사한 대부분의 이전 연구들은 관찰적 설계에 의존해 혼란과 역인과관계에 취약하여 이러한 연관성이 인과관계인지 판단하기 어렵습니다.
그러나 식이 섭취와 안구 질환 간의 관계를 조사한 관찰 연구의 결과는 일관성이 없으며, 일부는 유의미한 연관성을 보고했고 다른 일부는17, 18, 19의 무효 결과를 보였습니다. 이러한 차이는 표본 크기가 적고, 잔여 교란 요인, 식이 평가에서의 기억 편향, 역인과관계 가능성 등의 한계를 반영하는 것으로 보입니다. 이러한 격차를 해소하기 위해 멘델 무작위화(MR)는 유전 변이를 도구적 변수로 사용하여 노출과 결과 간의 인과관계를 추론하는 강력한 역학적 도구를 제공합니다20. 유전적 변이가 수정 시 무작위로 섞여 있고 환경적 또는 행동적 교란 요인에 크게 영향을 받지 않기 때문에, MR은 편향을 줄이고 전통적인 관찰 설계보다 더 신뢰할 만한 인과 추론을 가능하게 합니다21. 최근 대규모 유전체 전체 연관 연구(GWAS)는 다양한 식이 다량영양소와 미량 영양소22,23, 그리고 근시, AMD, 백내장, 녹내장 등 안구 표현형에 대한 유전 도구를 확인하여, 식이-안구 장애 관계에 대한 포괄적인 MR 기반 평가를 가능하게 했습니다.
따라서 본 연구의 주요 목적은 두 표본 멘델 무작위화 프레임워크를 사용하여 식이 다량영양소 및 미량영양소 섭취가 주요 안구 질환 위험에 미치는 잠재적 인과적 영향을 체계적으로 평가하는 것이었습니다. 구체적으로, 이 연구는 지방과 탄수화물 같은 식이 다량 영양소와 비타민 및 미네랄 포함 미량 영양소의 유전적으로 예측된 수준이 근시, 백내장, 녹내장, 노화 관련 황반변성(AMD) 위험과 연관이 있는지 조사했습니다. 이 연구 결과는 향후 눈 건강을 위한 식이 권고와 예방 전략을 수립할 새로운 증거를 제공합니다.
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멘델 무작위화(MR) 분석은 공개적으로 접근 가능한 GWAS(https://gwas.mrcieu.ac.uk/)의 데이터를 활용했으며, 이 GWAS는 초기 데이터 수집 시 필요한 윤리적이고 정보에 기반한 동의 승인을 이미 받았습니다. 따라서 연구에 대해 추가적인 윤리적이거나 정보에 기반한 동의는 필요하지 않았습니다. 사용되는 소프트웨어와 데이터베이스는 재료표에 나열되어 있습니다.
1. 노출 데이터
지방, 단백질, 탄수화물, 설탕의 상대적 식이 다량영양소 섭취에 관한 GWAS 요약 정보는 유럽계 235,000명 이상으로부터 수집되었습니다23. 전일의 식단 섭취량(UKB) 또는 습관적 식단 섭취량(기타 모든 코호트)은 종합 식품 설문지를 통해 수집하였습니다. 각 다량영양소의 상대적 섭취량은 총 에너지 섭취량으로 보정되어 비선형 효과를 가능하게 했습니다. 엄격한 품질 관리 절차를 거쳐 최종 집계 표본 크기는 설탕이 235,391명, 지방, 단백질, 탄수화물이 268,922명입니다. GWAS에 포함된 참가자들의 상대적 식이 다량 영양소 섭취 기본 특성은 표 1에 요약되어 있습니다.
미량 영양소의 유전적 연관 데이터는 기존 문헌과 유럽 인구 집단에서 견고한 GWAS의 가용성에 대한 포괄적인 검토에서 수집되었습니다. 간단히 말해, 혈청 칼슘, 구리, 철, 마그네슘, 인, 셀레늄(혈액 또는 발톱 샘플로 측정), 그리고 아연 24,25,26,27,28,29,30,31 등 7가지 필수 미네랄에 대한 GWAS 요약 통계가 포함되었습니다그리고 25-하이드록시비타민 D, 비타민 A1(레티놀), 비타민 B6, 비타민 B9(엽산), 비타민 B12, 비타민 C, 비타민 E 32,33,34,35,36,37 등 7가지 비타민이 포함되어 있습니다. 미량영양소의 GWAS에 포함된 참가자들의 기본 특성은 표 1에 요약되어 있습니다.
2. 결과 데이터
결과 데이터는 브리스톨 대학교 MRC 통합 역학 유닛에서 개발된 IEU GWAS 프로젝트(https://gwas.mrcieu.ac.uk/)에서 얻었습니다. 구체적으로, 근시는 출처 데이터인 ukb-b-6353 (n = 460,536), 백내장 출처 ebi-a-GCST90018814 (n = 491,877), 녹내장 출처 ebi-a-GCST90013865 (n = 406,927), 초기 연령 관련 황반변성 출처 ebi-a-GCST010723 (n = 105,248)를 사용하여 결과를 조사하였습니다. 근시 및 기타 주요 안구 질환에 포함된 GWAS 참가자들의 기본 특징은 표 2에 요약되어 있습니다. 안구 질환 표현형의 정의는 원래 GWAS 데이터셋을 기반으로 했습니다. 근시(ukb-b-6353)는 영국 바이오뱅크에서 유래했으며, 주로 원거리 시야(근시)를 위해 안경이나 콘택트렌즈를 자기보고하여 사용하여, 백내장 및 녹내장 결과는 의료 기록이나 병원 에피소드 통계를 통해 확인된 임상적 사례를 기반으로 한 대규모 GWAS 메타분석을 통해 얻어졌습니다. 초기 연령 관련 황반변성(AMD)은 원래 GWAS 컨소시엄 연구에서 사용된 표준화된 진단 기준에 따라 정의되었습니다. 연구 간 표현형 정의 차이는 일부 이질성을 초래할 수 있으므로 결과를 해석할 때 고려해야 합니다.
3. 기기적 변수의 선택
유전체 유의성(P < 5 × 10⁻8) 노출과 관련된 단일 염기다형성(SNP)이 도구 변수로 선택되었습니다. 독립적인 SNP들이 1000G 유럽 데이터에서 10,000 kb 이내 거리를 기준으로 r² 임계값 < 0.001인 기기 변수로 선택되었으며, "TwoSampleMR" R 패키지를 사용했습니다. 선택된 기기의 강도는 F 통계량38을 사용하여 평가되었습니다. F 통계량이 10을 초과하면 일반적으로 강한 도구적변수를 나타내는 것으로 간주됩니다. 모든 분석은 노출 데이터셋과 결과 데이터셋 간 효과 대립유전자의 정렬을 위해 조화를 이루었습니다.
4. 멘델 무작위화 추정치
식이 다량영양소와 미량영양소 간의 인과관계를 추정하기 위해, 근시 및 기타 주요 안구 질환 간의 인과관계를 추정하기 위해 "TwoSampleMR" R 패키지가 MR 분석에 적용되었습니다. 각 식이 다량영양소와 미량영양소와 관련된 유전적 변이가 근시 및 기타 주요 안구 질환과의 인과관계를 조사하는 도구적 변수로 사용되었습니다. MR 분석은 세 가지 주요 가정에 의존합니다: (1) 유전적 변이가 노출과 강하게 연관되어 있다는 관련성 가정; (2) 변형들이 교란변수와 독립적이라는 독립성 가정; 그리고 (3) 배제제한 가정, 즉 변이들이 관심 노출을 통해서만 결과에 영향을 미친다는 가정. 역분산 가중(IVW), 가중 중간값, 가중 모드, MR-에거 등 여러 MR 기법이 도입되었으며, IVW가 주요 접근법이자 결과의 견고성을 평가하는 다른 방법들로 사용되었습니다. IVW 방법은 모든 기기 변수가 유효하거나 수평 다면형성이 변이체 간 균형을 이룰 때 가장 정확한 인과 추정을 제공합니다. 가중 중앙값 추정기는 유전 도구의 최대 50%가 무효하더라도 일관된 추정치를 생성할 수 있습니다. MR-에거 회귀 방법은 유전 변이체 간 평균 다면구성 효과를 반영하는 인터셉트 항을 추정하여 방향성 다면이성(Directional pleiotropy)을 검출할 수 있게 합니다. 초기에는 고정효과 IVW 모델을 사용하여 인과관계 추정치를 계산했으며, 유의미한 이질성이 감지될 때는 무작위 효과 IVW 모델을 사용했습니다(p < 0.05). 다중 노출 및 결과를 비교할 때, 벤자미니-호흐버그 방법을 이용한 거짓 발견률(FDR) 보정이 적용되었습니다. 통계적 유의성은 FDR에 의해 조정된 P < 0.05로 정의되었고, P < 0.05는 명목상 유의한 것으로 간주되었습니다. 모든 분석은 R(버전 4.1.2)에서 수행되었습니다. 분석 프레임워크를 명확히 하기 위해, MR 설계와 가정의 도식적 표현은 그림 1에 나와 있습니다.
5. 이질성 및 민감도 분석
MR 결과의 견고성을 평가하기 위해, 기기 변수 간 잠재적 불일치를 감지하기 위해 이질성 검사가 실시되었습니다. 이질성은 코크란 Q 통계량을 사용하여 평가되었으며, P 값이 < 0.05이면 유의한 이질성40을 나타냅니다. 추가로 민감도 분석도 수행하여 유전적 변이가 관심 노출 이외의 생물학적 경로를 통해 결과에 영향을 미칠 수 있는 잠재적 다면형성을 평가하였다. 방향성 다변성은 MR-Egger 회귀 인터셉트 테스트41을 사용하여 평가하였다. 또한, 멘델 무작위화 다면형성 RESidual Sum and Outlier(MR-PRESSO) 방법을 적용하여 잠재적 다면화 이상치(p < 0.05)를 식별하고 제거하며, 필요 시 보정된 인과 추정치를 제공했다41.
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IVW 방법으로 확인된 식이 다량영양소 및 미량영양소 섭취가 근시 및 기타 주요 안구 질환에 미치는 중요한 인과관계는 표 3 에 요약되어 있으며 그림 2에 제시되어 있습니다. 여러 노출과 결과에 걸친 다중 비교를 고려하기 위해 FDR 보정법이 적용되었습니다. FDR 조정 후, 유전적으로 예측된 비타민 C 수치와 조기 AMD 위험 증가 간의 연관성만이 통계적으로 유의미하게 남아 있었습니다(OR = 1.324, 95% 신뢰구간: 1.133–1.546, P = 4.00 × 10⁻4). IVW 모델에 대한 모든 이질성 검정은 유의하지 않은 결과(P > 0.05)를 나타냈으며, 이는 기기 변수들 간의 일관성을 나타냅니다. 더욱이 MR-Egger 회귀분석을 통해 방향성 다면형성의 증거가 발견되지 않았고, MR-PRESSO 전역 검사에서도 수평 다면형성이 발견되지...
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본 연구에서는 식이 다량영양소 및 미량영양소 섭취가 근시 및 백내장, 녹내장, AMD 등 주요 안구 질환 위험에 미치는 잠재적 인과관계를 체계적으로 평가하였습니다. 거짓 발견률(FDR) 방법을 사용한 다중 비교 보정 후, 유전적으로 예측된 비타민 C 수치와 AMD 위험 증가 간의 연관성만이 통계적으로 유의미하게 유지되었습니다. 명목상 유의한 수준에서 여러 추가 연관성이 관찰되었는데, 여기에는 상대적 지방 섭취 증가와 근시 위험 증가, 철분 섭취 증가와 근시 위험 감소, 비타민 D 증가와 백내장 위험 증가, 엽산과 백내장 위험 감소, 인과 녹내장 위험 감소, 설탕 섭취 감소 등 여러 연관성이 관찰되었습니다. 그러나 이러한 연관성은 여러 차례 검사 교정 후에도 유의미하지 않았으므로 신중하게 해석해야 합니다. 전반적으로 이 발견들은 특정 식이 요인이 안구 질환 위험과 연관될 수 있다는 제한적이지만 시사적인 유전적 증거를 제공하며, 이러한 연관성을 확인하고 생물학적 메커니즘을...
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저자들은 서로 상충하는 이해관계가 없다고 선언한다.
이 연구는 후베이과학기술대학교 얼굴특징의과대학 특별과학연구기금(번호 2020XZ43)과 후베이과학기술대학교 교수연구프로젝트(번호 2023XY052)의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| IEU GWAS 데이터베이스 | MRC 통합 역학 부서, 브리스톨 대학교 | www.gwas.mrcieu.ac.uk | GWAS 요약 통계 출처 |
| MR-PRESSO R 패키지 | GitHub (MR-PRESSO 개발자) | www.github.com/rondolab/MR-PRESSO | 다면형성과 이상치를 감지하는 데 사용됨 |
| R 소프트웨어 (버전 4.1.2) | R 재단 | www.r-project.org | 모든 통계 분석 및 멘델 무작위화에 사용됩니다 |
| TwoSampleMR R 패키지 | MRC 통합 역학 부서 | www.mrcieu.github.io/TwoSampleMR | 멘델 무작위화 분석에 사용 |
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