6 全基因组关联研究在麻醉领域的应用进展
在过去十几年里，全基因组关联研究（genome-wide association study，GWAS）在寻找人类基因敏感位点方面取得了显著进展，识别了数百种遗传风险变异。大量研究通过GWAS去检测与群体复杂疾病相关的基因组位点变异，特别是检测单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）与心脏病、肿瘤、慢阻肺、自身免疫性疾病和精神障碍等疾病之间的关联。近年来也有学者用GWAS去研究受教育程度与遗传变异的关系。总之，GWAS因其高效性得到了广泛的应用。
2011年，美国国家科学院联合多家机构共同提出了迈向精准医学的倡议。随着精准医学的提出，精准麻醉在我国也逐渐由理想走向现实。精准麻醉要求针对患者的个体特征来“量身定制”麻醉方案，而患者本身基因的多态性是决定患者自身差异和对不同药物代谢差异的重要原因。探索与麻醉和围术期有关的基因多态性十分必要。近十年来，GWAS在这些领域找到了一些新的变异位点，为了进一步探索麻醉与围术期相关的遗传因素，本文就全基因组关联研究的机制和其在麻醉领域的应用进展作一综述。
一、全基因组关联研究介绍
GWAS是应用基因组中数以百万计的SNPs为分子遗传标记，进行全基因组水平上的对照分析或相关性分析，通过比较发现影响复杂性状的基因变异的一种方法。人类基因组计划的完成和大量的SNP位点被标记，为进行GWAS奠定了基础。GWAS的理论是基于“常见疾病常见变异”假说，假说认为许多常见疾病的产生是受人群中存在的常见等位基因变异影响的。这一假说解释了某种疾病为何不是平均的分布在人群中，为何表现为复杂的遗传模式，以及为何在遗传和表型上具有多样性。GWAS的目的是通过大量样本识别决定相同疾病或相同表型的可能遗传变异。这些常见的变异通常以两个核苷酸（A、C、G或T）在一个位点上的SNPs形式存在，通过线性回归或logistic回归分析每个SNP，以确定某个等位基因是否与表型显著相关。
二、阿片类药物
阿片系统在镇痛方面扮演着重要角色，阿片类药物被广泛用于围术期镇痛。然而，人们对阿片类药物的敏感性个体差异很大，导致临床上时常发生镇痛不足或呼吸抑制等不良效果。2006年Coulbault等就研究了基因和非基因因素对术后阿片类药物需求的影响。随后几年，也有文章报道了一些与人类阿片类药物敏感性相关的基因多态性位点，这些报道从代谢酶到转运蛋白，从受体到信号转导等不同角度探讨了遗传因素对阿片类药物药代学和药动学的潜在影响。
2014年Nishizawa等通过对355名行整容手术的患者进行多阶段GWAS，发现了一个可能和阿片类药物敏感性相关的SNP位点rs2952768，其等位基因C特别是纯合子C与更多的阿片类药物需求相关。这个SNP的C/C基因型与邻近基因cAMP反应元件结合蛋白1（CREB1）的mRNA表达升高显著相关，而以往的研究表明CREB和cAMP通路与阿片类药物的镇痛效果有关。作者认为，它可能是通过提高CREB功能和减小阿片类药物的敏感性导致术后阿片类药物用量增加。
2016年Mieda等通过对351名行腹腔镜辅助结肠切除术的患者进行多阶段GWAS，发现一个和术后阿片类药物需求相关的SNP位点rs2076222，该位点位于层粘连蛋白亚基β3（LAMB3）基因区域，其等位基因C与更低的阿片类敏感性和（或）更高的疼痛敏感性相关。LAMB3基因编码层粘连蛋白β亚基，构成层粘连蛋白-332。基础研究发现，小鼠表皮角质形成细胞产生一种抑制感觉机械传导的基质，其活性分子成分为层粘连蛋白-332。虽然潜在的机制还有待全面研究，但作者认为这个SNP位点的发现为个性化的术后疼痛治疗提供了有价值的信息。
2018年Nishizawa等对351名患者术中瑞芬太尼的需要量进行多阶段GWAS，发现位于跨膜蛋白8A（transmembrane protein 8A，TMEM8A）基因区域的SNP位点rs199670311和位于溶质载体家族9成员A9（solute carrier family 9 member A9，SLC9A9）基因区域的SNP位点rs4839603与阿片类药物敏感性相关。携带rs199670311上的等位基因A和rs4839603上的等位基因T的患者阿片类药物敏感性更低。TMEM8A被报道能稳定质膜上的Rac1，Rac1是ρ鸟苷三磷酸酶（Rho guanosine triphosphatase）亚家族成员，在细胞骨架结构、细胞运动、黏附、轴突引导和细胞增殖等生物学过程中发挥关键作用。SLC9A9基因是几种神经系统疾病的易感基因，如注意力缺陷/多动障碍、自闭症。功能性分析揭示了导致这类疾病的神经生物学机制，但没有研究关注SLC9A9在阿片类镇痛或疼痛环境下的功能。
三、围术期心肌梗死
心肌梗死是围术期的严重并发症，尽管这些年在外科技术和药物治疗方面取得了进步，冠状动脉旁路移植术术后心肌梗死的发生率仍然高达19%，并且和死亡率明显相关。心肌梗死具有遗传性的证据很多，包括家族的研究和GWAS。探索围术期心肌梗死的遗传学因素，可更好的识别预测好发人群，为探索更好的保护策略提供基础。然而，在心外科围术期人群中，2015年前只有少数研究发现等位基因与心肌缺血再灌注损伤易感性的改变有关，所有这些研究都基于候选基因关联方法。
2015年Kertai等通过对3488名择期行冠状动脉旁路移植术的患者进行多阶段GWAS，分别在三个基因和两个基因间区发现了八个SNP位点。在这些位点中，SEC24D基因上的rs4834703在文中的相关性最强。转运蛋白SEC24D是细胞质COPII转运机制的重要组成部分，是分泌蛋白从内质网运输到高尔基复合体并传递到下游细胞室的囊泡转运过程中的关键角色。
四、术后房颤
术后房颤是一种潜在威胁生命的术后并发症，也是心外科手术常见的并发症之一，在冠状动脉旁路移植术术后发生率高达25%～40%。术后房颤与神经系统不良事件、充血性心力衰竭、心肌梗死、围术期死亡率及住院时间延长和住院费用增加的风险增加有关。在心脏手术患者中，以下几个因素被认为和术后房颤风险增加相关的危险因素：高龄、房颤史、慢性阻塞性肺疾病、瓣膜手术、停用β受体阻滞剂或血管紧张素转换酶抑制剂。这些因素后来被发展成用于预测术后房颤的综合指标。但这些指标在不同的研究中存在争议，各种预测方法和模型所用危险因素也有很大不同，提示遗传变异也可能影响房颤的发生。
2015年，Kertai等对1181名行冠状动脉旁路移植术的患者进行了多阶段GWAS，发现了一个和术后房颤有关的SNP位点rs10504554，位于淋巴细胞抗原96基因的内涵子区，其突变能减少术后房颤的发生。淋巴细胞抗原96基因编码一种与细胞表面toll样受体4（toll-like receptor 4，TLR-4）相关的蛋白，并对脂多糖产生反应，从而在受体和脂多糖信号通路之间提供联系。在心脏中，TLR-4是脂多糖诱导左室功能紊乱的基础，也是TNF α、IL-1β、一氧化氮合酶在心脏中表达的基础。同时TLR-4在启动心肌缺血再灌注的炎症反应中也起关键作用，实验证明TLR-4缺陷型小鼠更少的出现缺血再灌注损伤引起的心肌梗死。Kertai等还分析了LY96和NFκ-B之间潜在的联系和术后房颤相关炎症信号通路。作者认为他们的发现不仅为固有免疫反应在术后房颤发展中发挥核心作用提供了越来越多的证据，而且还为干预提供了新的靶点，以防止这种潜在的破坏性并发症。
五、术后急性肾损伤
急性肾损伤表现为血浆滤过功能受损导致的含氮废物的系统性积累，在许多临床情况下都与预后不良有关。手术后是急性肾损伤的好发时期，高达47%的住院期间急性肾损伤发生在手术后。尤其是心脏手术是术后急性肾损伤最常见的病因，冠状动脉旁路移植术术后发生率在5%～30%。在心外科手术的研究中已发现许多急性肾损伤的危险因素，包括：高龄、肥胖、慢性肾病、糖尿病、心室功能差、高血压、栓塞和炎症，以及特定的手术操作。但是，目前的风险模型并不能很好地解释急性肾损伤发生的可变性。
2015年Stafford-Smith等对1253名择期行冠状动脉旁路移植术的患者进行多阶段GWAS，发现位于谷氨酸代谢性受体7基因与LMCD1反义RNA 1基因（GRM7| LMCDAS1）的基因间区的一个SNP位点rs13317787和位于巴比二氏综合征9（Bardet-Biedl syndrome9，BBS9）基因的一个SNP位点rs10262995与术后急性肾损伤相关。作者认为，他们的发现可以作为一种新的预测工具来改善个体化急性肾损伤危险分级，也可能为更好地预测和预防术后急性肾损伤提供病理生理学线索。但作者在回顾文献中并没有明确GRM7| LMCD-AS1基因间区与急性肾损伤病理生理学之间的直接功能联系。BBS9基因因为和巴比二氏综合征（BBS）相关而得名。肾病是BBS的主要表现和早期死亡原因。在肾脏中，BBS9蛋白以局灶性黏附的形式表达，通过调控肌动蛋白细胞骨架聚合，在纤毛长度的调控中发挥核心作用，BBS9易位也与最常见的小儿肾恶性肿瘤肾母细胞瘤有关。
六、术后恶心呕吐
术后恶心呕吐是术后常见的并发症，它的发生率可以达到30%以上。术后恶心呕吐容易引起术后伤口裂开、脱水、电解质紊乱等并发症，可能导致住院时间延长，增加住院费用。其发生的主要危险因素有年轻女性、无吸烟史、有PONV史或晕动症史、有术后阿片类药物的使用。有文章认为PONV的家族史也是PONV的危险因素，患者本身携带基因的微小差异可能会使其在经受手术和药物影响时出现恶心呕吐。
2011年Janicki等通过对458名参与者的DNA样本进行多阶段全基因组关联研究，发现一个与PONV有关的SNP位点rs2165870，这个位点位于一号染色体的乙酰胆碱M3受体基因启动子上游。2018年Klenke等对乙酰胆碱M3受体基因rs2165870的多态性进行了一项前瞻性随机对照试验，证明了这一多态性和Apfel评分是相互独立的PONV危险因素。作者同时发现在Apfel评分较低但携带PONV相关遗传变异的患者中，通过联合应用穴位电刺激和地塞米松可以减少术后恶心呕吐的发生率。
七、小结
通过GWAS识别有关疾病或药物敏感性的SNP位点，有助于更好地理解疾病和药物的个体差异，为临床实践中更好地调节个体化治疗方案提供有价值的信息，给患者带来更好的疗效，更少的副作用。在过去十几年中，在麻醉领域我们找到一些可能的基因变异，但相比其他学科我们的发现还比较少。要进一步探索麻醉与遗传因素的关系，将这些发现转化为临床实践，仍有大量工作要做。
GWAS也存在局限和不足。首先，GWAS只检测常见变异，而忽略其他类型的基因组变异，如罕见变异和拷贝数变异。GWAS也不能识别基因与环境的相互作用，表观遗传学或异位显性基因。增大样本量，对GWAS的结果进行meta分析或许可以增加发现重要变异的可能性。其次，GWAS可能产生假阳性结果，导致关于遗传与疾病关联的错误结论。Guinot等最近提出一种新方法可以提高GWAS的精度，减少假阳性结果。
使用大样本的SNP芯片进行GWAS已被证明是发现基因的有力工具。随着技术进步和测序价格下降，未来将GWAS、基因测序、转录组学和蛋白质组学等高通量方法结合使用，将极大提高我们对人体和疾病的理解。这些技术进步以及更多地考虑环境因素和增加表型数据，将会推动我们在分子水平上更加深入的了解这些疾病。
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