Razumevanje kako genetika pomaže u razlikovanju korelacije od uzročnosti

Kada istraživači otkriju da su dve stvari povezane, uvek sledi važno pitanje: da li jedna zaista uzrokuje drugu?

Na primer, ljudi sa niskim nivoom vitamina D mogu imati veći rizik od razvoja određenih bolesti. Pojedinci sa gojaznošću često imaju izmenjene nivoe tiroidnih hormona. Pacijenti sa autoimunskim bolestima štitne žlezde često imaju i druga stanja povezana sa imunitetom.

Ali da li su ovi odnosi zaista uzročni, ili su to jednostavno korelacije pod uticajem drugih faktora kao što su životni stil, starost, ishrana ili osnovna zdravstvena stanja?

Razlikovanje korelacije od uzročnosti jedan je od najvećih izazova u medicinskim istraživanjima. Tu se Mendelska randomizacija (MR) pojavila kao moćan alat u modernoj genetskoj epidemiologiji.

Zašto opservacione studije nisu dovoljne

Tradicionalne opservacione studije mogu identifikovati asocijacije između potencijalnog faktora rizika (nazvanog izloženost) i bolesti (ishoda). Međutim, ove asocijacije mogu biti pod uticajem konfuzornih faktora ili obrnute uzročnosti.

Zamisli da istraživači primete da ljudi sa nižim nivoom tiroidnih hormona takođe imaju veći rizik od kardiovaskularnih bolesti. Da li smanjena funkcija štitaste žlezde povećava kardiovaskularni rizik? Ili drugi faktori, kao što su gojaznost, fizička neaktivnost, upotreba lekova ili hronične bolesti, utiču i na funkciju štitaste žlezde i na bolesti srca?

Slično tome, ako pacijenti sa određenom bolešću imaju niže koncentracije vitamina D, ne možemo odmah zaključiti da je nedostatak vitamina D uzrokovao bolest. Sama bolest može smanjiti nivo vitamina D, ili na oba mogu uticati potpuno različiti faktori.

Randomizovane kontrolisane studije (RKS) smatraju se zlatnim standardom za utvrđivanje uzročnosti jer se učesnici nasumično raspoređuju u različite intervencije. Nažalost, RKS su često skupe, dugotrajne, a ponekad ih je nemoguće ili neetično sprovesti.

Mendelska randomizacija nudi elegantnu alternativu.

Šta je Mendelska randomizacija?

Mendelska randomizacija je statistička metoda koja koristi prirodno nastale genetske varijacije za istraživanje da li je uočena asocijacija između faktora rizika i bolesti verovatno uzročna.

Metoda se zasniva na jednostavnom biološkom principu koji je prvi opisao Gregor Mendel: genetske varijante se nasumično nasleđuju od roditelja pri začeću. Ova prirodna nasumična alokacija podseća na proces randomizacije koji se koristi u kliničkim ispitivanjima.

Ovaj koncept je ilustrovan na Slici 1. Dok su učesnici u randomizovanim kontrolisanim studijama nasumično raspoređeni u intervencione ili kontrolne grupe od strane istraživača, pojedinci u studijama Mendelske randomizacije su prirodno „alocirani“ na različite nivoe izloženosti kroz nasumično nasleđivanje genetskih varijanti pri začeću.

Ova prirodna randomizacija pomaže u minimiziranju konfuzije i omogućava istraživačima da ispitaju uzročne veze koristeći opservacione podatke.

Budući da su genetske varijante dodeljene pre rođenja, na njih generalno ne utiču životni stil, izloženost okolini, progresija bolesti ili većina konfuzornih faktora koji se sreću u opservacionim studijama.

U Mendelskoj randomizaciji, genetske varijante povezane sa izloženošću služe kao instrumentalne varijable (ili genetski instrumenti) koje omogućavaju istraživačima da procene uzročni efekat te izloženosti na ishod bolesti.

Slika 1. Mendelska randomizacija kao prirodni analog randomizovane kontrolisane studije. U randomizovanim kontrolisanim studijama, učesnici su nasumično raspoređeni u intervencione ili kontrolne grupe od strane istraživača. U Mendelskoj randomizaciji, nasumična alokacija genetskih varijanti pri začeću stvara grupe koje su generalno uravnotežene u pogledu konfuzornih faktora, omogućavajući istraživanje uzročnih veza korišćenjem opservacionih podataka. Adaptirano iz Davey Smith & Ebrahim (2005).

Kako funkcioniše Mendelska randomizacija?

Osnovni koncept je jednostavan.

Prvo, istraživači identifikuju genetske varijante koje su snažno povezane sa specifičnom izloženošću, kao što su:

• tireostimulišući hormon (TSH)
• slobodni tiroksin (fT4)
• nivoi vitamina D
• indeks telesne mase
• koncentracije holesterola
• inflamatorni biomarkeri

Ove varijante se identifikuju kroz velike studije asocijacije na nivou celog genoma (GWAS), često uključujući stotine hiljada učesnika.

Zatim, istraživači ispituju da li su iste genetske varijante takođe povezane sa ishodom bolesti.

Ako genetske varijante koje povećavaju (ili smanjuju) izloženost dosledno dovode do većeg (ili manjeg) rizika od bolesti, to pruža dokaz koji podržava uzročnu vezu.

Drugim rečima, umesto da se pita:

„Da li ljudi sa višim TSH češće razvijaju bolest?“

MR pita:

„Da li ljudi koji su genetski predisponirani da imaju viši TSH tokom života takođe imaju drugačiji rizik od razvoja bolesti?“

Zašto je Mendelska randomizacija toliko moćna?

Jedna od glavnih prednosti MR je njena sposobnost da smanji pristrasnost.

Budući da se genetske varijante nasleđuju pre rođenja:

• obično se ne mogu promeniti bolešću,
• nezavisne su od faktora životnog stila,
• manje su pod uticajem konfuzije nego konvencionalne opservacione studije.

Kao rezultat toga, MR često pruža jače dokaze o uzročnosti nego samo opservaciono istraživanje.

Važno je napomenuti da MR ne zamenjuje u potpunosti randomizovane kliničke studije. Umesto toga, dopunjuje ih pomažući istraživačima da prioritizuju koji su biološki putevi najperspektivniji za dalja istraživanja i potencijalnu terapijsku intervenciju.

Tri osnovne pretpostavke

Da bi Mendelska randomizacija pružila pouzdane uzročne procene, moraju biti ispunjene tri ključne pretpostavke.

1. Relevantnost

Genetske varijante moraju biti snažno povezane sa izloženošću od interesa.

2. Nezavisnost

Genetske varijante ne bi trebalo da budu povezane sa konfuzornim faktorima koji utiču i na izloženost i na bolest.

3. Ograničenje isključenja

Genetske varijante bi trebalo da utiču na bolest samo kroz izloženost koja se proučava, a ne kroz alternativne biološke puteve.

Istraživači rutinski procenjuju ove pretpostavke koristeći niz statističkih analiza osetljivosti, pomažući da se osigura da su zaključci što robusniji.

Mendelska randomizacija u istraživanju štitne žlezde

Mendelska randomizacija je postala sve vredniji alat za razumevanje biologije štitne žlezde.

Istraživači su primenili MR za ispitivanje pitanja kao što su:

• Da li nivoi tiroidnih hormona uzročno utiču na kardiovaskularne bolesti?
• Da li funkcija štitne žlezde utiče na gojaznost ili metabolički sindrom?
• Da li je vitamin D uključen u autoimunske bolesti štitne žlezde?
• Da li funkcija štitne žlezde utiče na zdravlje kostiju ili kognitivni pad?
• Da li su cirkulišući biomarkeri uključeni u razvoj raka štitne žlezde?

Umesto da se oslanjaju isključivo na opservacione asocijacije, MR omogućava istraživačima da utvrde da li ove veze verovatno odražavaju stvarne biološke mehanizme.

Takvi dokazi su posebno vredni pri identifikaciji potencijalnih terapijskih ciljeva ili odlučivanju da li će intervencija verovatno poboljšati ishode pacijenata.

Mendelska randomizacija u projektu InnoThyroGen

U okviru projekta InnoThyroGen, Mendelska randomizacija se koristi za identifikaciju biomarkera i bioloških faktora koji verovatno igraju uzročnu ulogu u bolestima štitne žlezde.

Integracijom velikih podataka studija asocijacije na nivou celog genoma (GWAS) sa naprednim statističkim metodama, MR nam omogućava da razlikujemo varijable koje su samo povezane sa bolešću štitne žlezde od onih koje verovatnije direktno doprinose razvoju bolesti.

Ove informacije su posebno vredne za razvoj integrisanog alata za predviđanje rizika od bolesti štitne žlezde koji se razvija u okviru InnoThyroGen projekta.

Umesto da se biomarkeri biraju isključivo na osnovu opservacionih asocijacija, MR pomaže u prioritizaciji varijabli sa dokazima o uzročnosti za uključivanje zajedno sa poligenskih skorovima rizika (PRS) i kliničkim karakteristikama.

Kombinovanje genetske predispozicije zabeležene PRS-om sa uzročno relevantnim biomarkerima ima potencijal da poboljša predviđanje rizika, podrži raniju identifikaciju pojedinaca sa povećanim rizikom i doprinese personalizovanijim pristupima prevenciji i lečenju bolesti štitne žlezde.

Zajedno, Mendelska randomizacija i poligenski skorovi rizika čine komplementarne komponente analitičkog procesa InnoThyroGen projekta, pružajući dokaze potrebne za razvoj robusnog i klinički relevantnog integrisanog alata za predviđanje rizika.

Pogled unapred

Brzi rast javno dostupnih genetskih skupova podataka transformisao je Mendelsku randomizaciju u jedan od najčešće korišćenih pristupa u genetskoj epidemiologiji.

Danas istraživači mogu ispitati hiljade potencijalnih uzročnih veza koristeći podatke iz međunarodnih biobanaka i kolaborativnih studija asocijacije na nivou celog genoma koje uključuju stotine hiljada – ili čak milione – učesnika.

Kako se ovi resursi nastavljaju širiti, Mendelska randomizacija će igrati sve važniju ulogu u identifikaciji mehanizama bolesti, vođenju razvoja lekova i unapređenju precizne medicine.

Za projekte kao što je InnoThyroGen, to znači prelazak sa identifikacije jednostavnih asocijacija ka razumevanju zašto se bolesti razvijaju i koji biološki putevi nude najveći potencijal za prevenciju, dijagnozu i lečenje.

Na kraju, Mendelska randomizacija pomaže istraživačima da odgovore na jedno od najfundamentalnijih pitanja u medicini: šta zaista uzrokuje bolest?

Autor: Nikolina Pleić (Univerzitet u Splitu, Medicinski fakultet)

Ključne reference

1. Davey Smith G, Ebrahim S. „Mendelska randomizacija“: može li genetska epidemiologija doprineti razumevanju ekoloških determinanti bolesti? International Journal of Epidemiology. 2003;32(1):1–22. https://doi.org/10.1093/ije/dyg070
2. Davey Smith G, Hemani G. Mendelska randomizacija: genetska sidra za uzročno zaključivanje u epidemiološkim studijama. Human Molecular Genetics. 2014;23(R1):R89–R98. https://doi.org/10.1093/hmg/ddu328
3. Davies NM, Holmes MV, Davey Smith G. Čitanje studija Mendelske randomizacije: vodič, rečnik i kontrolna lista za kliničare. BMJ. 2018;362:k601. https://doi.org/10.1136/bmj.k601
4. Lawlor DA, Harbord RM, Sterne JAC, Timpson N, Davey Smith G. Mendelska randomizacija: korišćenje gena kao instrumenata za uzročno zaključivanje u epidemiologiji. Statistics in Medicine. 2008;27:1133–1163. https://doi.org/10.1002/sim.3034