摘要：使用來自40,000多名受試者的多器官MRI數據量化了心腦連接，表明心臟病可能導致腦部疾病，揭示了心腦聯系和共同的遺傳影響。
特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
越來越多的證據表明心臟健康與大腦健康之間存在密切關系，心血管疾病可能導致腦部疾病，例如中風、癡呆和認知障礙。磁共振成像(MRI)是一種有價值的工具，可用于評估心臟和大腦，為各種臨床結果生成生物標志物和內表型。然而，盡管最近分別對心臟和大腦MRI衍生特征進行了大規模分析，但很少有研究探索多器官MRI檢查心腦連接和識別共同遺傳效應的潛力,心臟和大腦之間的結構和功能聯系仍不清楚。
有鑒于此，北卡羅來納大學教堂山分校醫學院Hongtu Zhu等人使用來自40,000多名受試者的多器官磁共振成像(MRI)數據量化了心腦連接。心臟MRI特征顯示出許多與大腦灰質形態、白質微觀結構和功能網絡相關的模式。確定了80個與心臟MRI特征相關的基因組位點(P<6.09×10-10)，這些特征與心血管和腦部疾病具有共同的遺傳影響。在心臟MRI 特征與大腦相關特征和疾病之間觀察到遺傳相關性。孟德爾隨機化表明心臟病可能導致腦部疾病。本研究結果通過揭示心腦聯系和共同的遺傳影響，推進了人類健康的多器官視角。
研究設計和分析
在本研究中，使用從UKB研究中超過40000 名受試者獲得的多器官成像數據研究了心腦連接，旨在量化心臟和大腦之間的器官間聯系并識別潛在的遺傳變異。具體而言，分析了6個類別的82個心臟和主動脈MRI衍生特征：左心室和右心室、左心房和右心房以及升主動脈和降主動脈，以及458個測量結構和功能的大腦 MRI 特征。
圖|研究設計和分析的概述
表型心腦連接
首先使用從 UKB重復成像訪問獲得的重復掃描檢查它們的再現性，表明提取的CMR特征具有中等到高的受試者內部可靠性，并且可以一致地描述心臟和主動脈的結構和功能。作者檢查了英國白人血統的UKB個體的CMR特征和大腦MRI特征之間的關聯，CMR特征與多種腦部MRI特征相關。CMR特征也與大腦結構和功能連通性相關。進一步檢查了靜息fMRI中82個CMR特征和64620個高分辨率功能連接特征之間的成對關聯，在整個大腦的功能連接中觀察到Bonferroni顯著關聯(P<7.15×10-8)，在不同的功能區域和網絡中出現特定模式。
圖|表型心腦關聯
82個CMR性狀的遺傳力和相關基因位點
使用英國白人血統的UKB個體估計了82個CMR性狀的單核苷酸多態性(SNP) 遺傳力，平均遺傳力(h2)為 22.9%。接著，使用這個英國白人隊列對 82 個CMR特征進行了GWAS，結果表明沒有由混雜因素引起的測試統計數據的基因組膨脹。在80個特征中確定了獨立顯著關聯49個CMR性狀的基因組區域。作者進一步證明這些CMR性狀表現出高度多基因的遺傳結構，并與大腦MRI性狀共享遺傳力，特別是DTI參數測量白質微觀結構。作者證明了GWAS發現在歐洲隊列中具有高度的普遍性。
圖|UKB中CMR性狀的遺傳學
跨身體系統的遺傳變異的多效性
為了確定CMR性狀和復雜性狀之間的共同遺傳效應，對檢測到的獨立顯著變異進行了關聯，發現CMR特征與多種大腦相關的復雜特征和疾病之間存在遺傳多效性。研究結果表明，心血管疾病與腦部疾病、心理健康特征和認知功能共享大量遺傳成分，這表明心腦連接具有潛在的遺傳基礎。還觀察到與其他疾病和復雜性狀的遺傳重疊。
圖|與CMR性狀和其他復雜性狀和疾病相關的選定基因位點
與大腦疾病和復雜特征的遺傳相關性
首先，使用跨性狀LDSC檢查了82個 CMR 性狀之間的遺傳相關性，在CMR 特征類別內部和類別之間觀察到強烈的遺傳相關性。作者發現所有CMR性狀的表型和遺傳相關性之間存在很強的相關性。接下來，檢查了 82 個 CMR 性狀與60種復雜性狀和疾病之間的遺傳相關性，表明CMR特征與心臟病、肺功能、心血管危險因素以及大腦相關的復雜特征和疾病相關。
圖|CMR 性狀與其他復雜性狀和疾病之間的遺傳相關性
孟德爾隨機化檢測到的心腦因果關系
使用孟德爾隨機化(MR)的82個CMR特征檢查了它們潛在的因果遺傳聯系。調查了來自FinnGen數據庫的11項有力腦相關臨床結果和來自精神病基因組學聯合會的六種神經精神疾病，還評估了九種認知和心理健康特征。大多數 MR 結果表明從心臟到大腦的遺傳因果效應，確定了心臟健康和神經精神疾病的因果遺傳聯系。基因水平關聯測試確定了48個CMR性狀的163個顯著基因。最后，使用遺傳和多器官MRI數據進行了復雜性狀和疾病預測，發現與僅使用一種數據類型相比，整合遺傳PRS、CMR特征和腦部MRI特征可以增強對多系統疾病（例如糖尿病）的預測。
圖|CMR特征對精神疾病的遺傳因果效應
參考文獻：
JULIA SACHER, et al. Genetic heart–brain connections. Science, 2023, 380(6648): 897-898.
DOI: 10.1126/science.adi2392
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2392
BINGXIN ZHAO, et al. Heart-brain connections: Phenotypic and genetic insights from magnetic resonance images. Science, 2023, 380(6648).
DOI: 10.1126/science.abn6598
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