弗莱明翰心脏研究：70 年的不朽丰碑

陈艳春 周帆 张龙江

弗莱明翰心脏研究（Framingham heart study，FHS）是由美国国立卫生研究院资助、波士顿大学管理，自1948 年启动至今，是持续时间最长的心血管流行病学研究，旨在加强对冠心病的了解[1]。FHS 队列目前包括三代参与者（约15 000 人）和多个少数民族研究，进行多次随访来记录疾病的发生、发展和转归，提供了关于心血管和非心血管生理重要信息，开创性地确定了冠心病的主要危险因素、制定和调整冠心病风险评分，并探索了心血管病的诊断标准。近年来，FHS 着眼于未来，将研究范围扩大到新兴电子设备及心血管相关遗传基因，以探究心血管疾病的分子基础，并帮助开发个性化的治疗和预防方法。本文主要介绍FHS 的由来、研究目的、研究设计、对心血管医学的贡献以及未来的发展方向。

1 FHS 的背景及研究设计

肺炎、肺结核和痢疾是20 世纪初美国的三大主要致死病因，二战之后随着抗生素的发现和应用，传染性疾病致死率逐渐下降，而心血管病、肿瘤等患病人数迅速增加，时任美国总统罗斯福也于1945 年死于心脑血管病。在这样的时代背景下，美国国立卫生研究院创立了国家心肺血液研究所，大胆采用之前传染病的研究方法对心血管病进行探索，FHS 由此开始。首先，研究人员选址在马萨诸塞州的弗莱明翰小镇，主要基于以下原因：①该小镇居民之前参加过1917—1923 年结核病研究，表现出良好的依从性；②该地区能够很好地代表当时美国中产阶级人群，经济稳定，迁移率低；③地理位置优越，靠近波士顿、马萨诸塞州的大学和医院，有较好的医疗资源和设施保障，方便研究人员来返。以上几点保证了研究结果的准确性、代表性和可靠性。

FHS 从 1948 年开始建立第 1 代队列人群（Original cohort），这些人群都来自弗莱明翰小镇，按家庭划分入组，截止到1952 年共纳入5 209 名随机抽样的调查对象，占小镇人口的2/3，平均年龄为44岁（28～74 岁）。全部调查对象在纳入时无任何明显的心血管病症状，也没有心脏病发作或卒中史。测量数据包括血液样本（用于测定血糖和胆固醇浓度）、心电图、胸片、吸烟、家族史、身高和体质量等。Offspring 研究（第 2 代）始于 1971 年，在原有调查对象基础上招募了他们的子女共5 124 名形成子代队列[2]，并在先前研究的基础上引入了新的测量技术与方法，如超声心动图、颈动脉斑块测量、运动试验、动态心电图（Holter 监测）等。2002 年 GenⅢ研究（第3 代）招募第2 代队列参与者的子女（即原始队列参与者的孙辈）形成第3 代队列[3]。将子代和第3代队列纳入FHS 中，旨在研究冠心病危险因素的时间趋势，调查家族聚集模式并评估冠心病的遗传因素及其危险因素。纳入子代和第3 代队列时的年龄与原始队列相似。为了反映分析不同种族人群之间心血管病的异同，FHS 在1995 年和2002 年分别招募和登记了2 组少数民族队列，称为Omni1（506 名参与者）和 Omni2（410 名参与者），包括非裔、拉丁美裔、亚裔、印度裔、太平洋岛民以及美国原住民等多种族居民。FHS 研究中心每2 年对原始队列进行一次随访，对子代、第3 代和Omni 队列每4～7 年进行一次随访，第1 代队列的随访于2014 年结束。在随访时采取了标准化的医疗问卷收集这些参与者的全面信息（包括生活方式相关的问卷），同时进行以心血管为重点的体格检查、心电图、生物样本收集（血液和尿液）。通过持续查询医疗记录和随访来获得参与者的心血管和非心血管的终点事件，以确保及时更新构成FHS 临床终点的关键结局事件。所有可能的终点都由内科医生、心脏科医生（心血管终点）和神经病学家（卒中/痴呆终点）组成的评审小组来评判。

2 代表性研究成果

FHS 自启动以来一直处于心血管流行病学研究的前沿，前期研究在识别和阐明冠心病多种关键风险因素、制定冠心病和其他疾病的风险评分方面做出了巨大贡献。随后FHS 引入了心血管成像技术(如超声心动图、CT 和MRI)，促进了对血管生理学、生物学和亚临床心血管重塑的理解。近来FHS 一直处于分子流行病学的前沿，研究中通过全基因组测序获得大量遗传基因组和表型数据资源并建立数据库。跨队列协作联盟和其他联盟也已经形成，如基因组流行病学（CHARGE）联盟[4]。FHS 的研究结果不仅对心血管病领域产生深远影响，对医学其他各个领域都产生了巨大影响。FHS 自启动至今产出了大量的研究成果，每隔10 年进行一次研究成果统计，截至2018 年8 月，全球基于FHS 发表的文章已经达到了3 698 篇。以下介绍FHS 最具代表性的研究成果。

2.1 确定冠心病危险因素 高血压是心血管病的重要危险因素[5]。这也一直是FHS 的主要关注点，特别是Dawber 等[6-7]经过4 年和6 年的随访研究总结了第1 代队列早期随访的结果，指出冠心病的发生与高血压水平呈正相关，并发现同时有高血压和高胆固醇的病人比只有一种异常指标的参与者患冠心病的风险更高。Kannel 等[8]研究发现，在 40～59 岁的男性中，高血压病人的冠心病风险增加2.6 倍，而在同一年龄段的女性中，高血压病人冠心病风险增加6 倍；研究还发现男性的胆固醇水平升高可导致冠心病风险增加3 倍以上，女性增加1.6 倍。此外，FHS 研究从一开始就确定了收缩压(相对于舒张压)在心血管病风险方面的作用，并概述了发展为高血压的短期风险因素[9]。

FHS 早期研究[10-12]指出，缺乏体育锻炼、吸烟、糖尿病和肥胖是冠心病的危险因素；在后续的队列研究[13]中，FHS 首次提出父母罹患冠心病作为后代罹患冠心病的独立危险因素，并强调其十分重要。这些研究推动了后续临床试验的开展。FHS 提出将危险因素转化为治疗和预防冠心病的新策略，发现通过降低血压和血脂可以有效预防心血管病[14]。根据以上因素计算出来的10 年FHS 风险评分为当代指南的制定提供了大量循证医学方面的证据，现已成为公认的全部心血管病一、二级预防管理决策的基石，大大降低了全世界范围内心血管病的发生率和死亡率[15]。

2.2 创立和完善FHS 风险评分 自20 世纪下半叶开始，FHS 将研究重点从治疗已确诊的心血管病病人转向识别高危人群并进行针对性的预防干预。Kannel 等[16]于1976 年开发了一种多变量风险评分用于预测冠心病风险，包括对年龄、性别、吸烟状况、收缩压、血清总胆固醇水平、心电图提示左室肥厚和葡萄糖耐受不良的评分。经过8 年随访证实，FHS 风险评分可以有效识别冠心病高危病人，高风险排名前10%的个体占冠心病事件的22%。相比排名后10%的男性，排名前10%的男性的冠心病发病率要高30 倍，前10%的女性冠心病发病率比后10%的女性高 70 倍[17]。

随着1971 年第2 代人群及少数民族队列的纳入，FHS 研究人员逐步优化了冠心病风险评分。第一，用总胆固醇与高密度脂蛋白胆固醇水平的比值替代总胆固醇水平作为预测指标，同时还以收缩压和舒张压分别作为独立的指标[18]。第二，1998 年Wilson 等[19]建立了用类别代替连续值的10 年风险评估模型，提供了一种简便的方法，使临床医生能够通过查表来划分未来患冠心病的低、中、高风险人群。第三，FHS 在21 世纪初致力于提高普通人群中某些亚组冠心病风险预测的准确性[20]，汇集Omni1和Omni2 队列的数据，引入了汇集队列方程，为不同种族人群提供了更准确的冠心病风险预测[14]；并且创建了首个30 年冠心病风险模型，有利于提高对青年人长期风险的评估[21]。

2.3 探究心脏成像的价值 FHS 在以社区为基础的队列研究中最早采用了心脏成像技术。在20 世纪60 年代，借助心电图的研究，FHS 证实左心室肥厚是冠心病和其他心血管病的危险因素之一，研究[22]发现心电图明确的左心室肥厚提示冠心病风险增加3 倍，占心血管病死亡人数的44%。在20 世纪70 年代末又将超声检查引入评估中[23]，系列研究发现：①随着年龄增长，血压升高、心脏左室壁增厚及左室容积减小，这一心脏重塑过程在女性、高血压及糖尿病病人中更为明显[24]；②将左房体积和功能纳入标准超声心动图评估进行风险分层可以提高预测价值，改善人群中异常超声表现的无症状个体的预后[25]；③高血压及冠心病病人左心房功能指数低于平均值（35.2±12.1）[26]。2002 年 FHS 基于无心血管病和高血压人群的心脏MR 成像（目前评估心室结构的金标准）确定了普通人群心室质量、体积和收缩功能测量的正常值[27]。这些研究极大推进了心脏成像技术的发展，规范与优化了其临床诊疗与评估价值。

2.4 心力衰竭流行病学研究 FHS 是最早阐明社区心力衰竭流行病学的研究之一，提供了有关心力衰竭的宝贵信息。FHS 首先定义了心力衰竭的9 个主要标准和7 个次要标准。如果病人同时有1～2 个主要和2 个次要的标准，则可以诊断为明确的心力衰竭[28]。后续对第1 代和子代队列的连续观察结果表明心力衰竭的主要危险因素包括糖尿病、肥胖、高血压和遗传[29-32]。相比无心力衰竭病人，心力衰竭病人发生心肌梗死的风险增加6 倍，女性人群的归因风险仅为13%，而男性高达34%；其发生高血压的风险也增加2 倍，但由于心力衰竭病人的高患病率，女性和男性的人群归因风险分别为59%和39%[38]。FHS 研究[33]表明，大约一半的心力衰竭病人的射血分数＞50%（包括由舒张性心力衰竭导致），这些病人的死亡率相比收缩性心力衰竭病人的死亡率要低，但比正常人的仍然要高。

FHS 随后提出了评估心力衰竭的综合风险评分[34]，为筛选高危人群及对症治疗提供了理论依据，有利于改善心力衰竭病人的长期预后。1971 年的研究数据显示心力衰竭的预后很差，男性在确诊心力衰竭后5 年生存率为40%，10 年生存率为20%[28]。到20 世纪90 年代，由于β 受体阻滞剂和血管紧张素转换酶抑制剂的应用，男性心力衰竭病人5 年死亡率从1950 年的70%下降到1999 年的59%，女性病人的5 年死亡率从57%下降到45%[35]。近年有研究[36]表明无症状左心室收缩功能障碍者，即使在调整了常规的危险因素后，心力衰竭的风险也会增加5 倍。因此，美国心脏病学院和美国心脏协会成人慢性心力衰竭诊断和管理指南特别强调应加强对无症状心室功能障碍（b 期心力衰竭）的检测，以了解和预防明显的心力衰竭[37]。

2.5 对卒中、痴呆及其他血管疾病的研究 FHS 观察了所有参与者的卒中、认知障碍和痴呆等疾病，早期的研究结果即证实了高血压、吸烟、心室颤动和左室肥大是卒中的关键危险因素[38-41]。这些危险因素后来被证实与MRI 中脑容量变小和无卒中病史的个体认知功能受损有关[42]。一些研究[43]表明，在人一生中累计患卒中和痴呆症的风险为三分之一，父母中若有一方患有卒中，则后代患卒中风险增加3 倍。FHS 也是首次证明随着血清同型半胱氨酸水平升高，痴呆风险也随之增加的研究[44]。此外，由于大量参与者在死后捐献大脑用于研究，FHS 通过尸检证明中年时期心血管危险因素的累积与皮质和皮质下梗死有关，但与晚年的阿尔茨海默病发生无关[45]。

在血管疾病方面，FHS 是首次建立吸烟与间歇性跛行联系的研究之一[46]。随着超声心动图、CT 和心血管MR 成像的引入，FHS 测定了参与者的主动脉直径大小、主动脉瓣及二尖瓣钙化情况、颈动脉内中膜厚度、颈动脉和股动脉搏动速度及肱动脉血流等信息，进一步挖掘了血管疾病的流行病学及导致心血管事件的病理生理机制。FHS 还得出以下结论：①动脉硬度是心血管事件首发的一个显著重要的独立危险因素，即便高血压控制良好，由于血管硬度持续增加，心血管事件率也会逐渐增加[47]。②动脉硬化可以导致器官受损引起相应临床症状，包括蛋白尿、左室肥大、认知功能障碍、痴呆、心室颤动和心力衰竭等[48-52]。③冠状动脉钙化评分可以对冠心病中等风险人群重新分类，并且冠状动脉钙化评分对未来心血管病具有独立预后价值[53]。④主动脉直径增大是主动脉瘤的前兆，也是主动脉夹层的危险因素，且有一定的遗传倾向[54]。

2.6 心血管疾病相关的基因研究 随着冠心病危险因素的识别及冠心病风险评分的制定，研究人员发现无法解释冠心病的分子生物学机制和个体间冠心病危险因素易感性的差异，但随即意识到遗传学有可能可以回答这些问题。最初的遗传学研究主要集中在研究与冠心病相关的家族模式，发现冠心病的危险因素，如血压、胆固醇水平有家庭聚集性[55-56]。20 世纪 80 年代末，FHS 开始收集受试者的血液DNA，为寻找导致冠心病风险的遗传因素做了准备。随着21 世纪初基因分型技术的出现，FHS 的研究人员通过全基因组关联分析研究（genome-wide association study，GWAS）来确定与冠心病风险相关的基因位点，从而得出基因可影响冠心病及其危险因素的结论。2007 年，FHS 对 1 345 名第 1 代和子代队列受试者进行了100 000 个常见单核苷酸多态位点（single nucleotide polymorphisms，SNP）的基因分型。研究人员通过分析FHS 中的56 年随访资料，在987 个临床表型中检测到SNP 与个体间变异的关联性，并发表关于100 000 个常见单核苷酸多态位点内容的相关文章，是有史以来发表的与心血管病风险因素、生物标志物、临床和亚临床心血管病、寿命和衰老特征以及癌症等内容相关的最多的GWAS 系列文章[57]。此外，FHS 创建了网络数据库，开放存储所有GWAS 结果，为相关研究人员提供宝贵资源。

FHS 的研究人员从早期的GWAS 项目中发现，需要更多群体和更大样本量为疾病表型与遗传关联提供更强有力的证据。为此，FHS 开始与多个研究团队和机构合作。例如，在2008 年通过遗传流行病学联盟和其他4 个基于人群的研究建立了心脏和老化研究队列[58]。这个联盟很快将研究发展为16个队列，迄今已经发表了400 篇文章。近年来，FHS还参与了一项涉及更大样本量的心血管病风险因素的联合荟萃分析，获得很多成果，从中证实了基因在心血管病中发挥了重要作用。例如，2011 年FHS 对包括20 万欧洲血统个体的GWAS 进行了荟萃分析，根据与血压相关的29 个全基因组等位基因变异创建了与冠心病和其他心血管病风险相关的遗传风险评分[59]。FHS 也是冠状动脉疾病全基因组复制和荟萃分析联盟的成员，该联盟通过对14项队列研究的结果进行荟萃分析，包括22 233 例冠心病病人和64 672 名对照者，确定了13 个新的位点在全基因组水平上与冠心病显著相关[60]。

3 发展趋势及研究方向

FHS 将继续在心血管病流行病学及循证医学方面发挥重要作用，并将开展更大规模的研究，提供亚临床和临床心血管病的分子病理生理学机制的新观点。后续记录的分子以及基因表型使得FHS研究适合基于机器学习算法的深入分析。此外，FHS将采用多种现代流行病学研究的统计学方法，尤其可以重点通过降维有效地处理大量数据，以推进对心血管代谢组学、微生物组学的认识。跨代家族聚集性队列设计还有望推动更多遗传和基因组学方面的研究（例如，基于家庭的关联测试和疾病变种的分离）。

FHS 已经开始收集多种电子健康数据并启动了e-FHS 计划，将血压、体质量、心率和调查问卷与智能手机应用程序联系起来，并回传到FHS 中心，以了解如何有效地利用信息和数字化数据对流动人口进行风险分层并预测亚临床和临床疾病。数字化项目下一步可能涉及家庭生物标志物监测 (如通过手指进行血液标志物监测)和远程检查的使用。在新型冠状病毒肺炎流行期间，这种数字化举措显得越来越重要，因此将电子流行病学的概念引入研究计划是未来FSH 研究的一个重要方向。

4 小结

FHS 已进行了70 余年，是心血管病研究领域一座不朽的丰碑，是世界范围内第一个也是最有影响力的心血管流行病学研究。其对理解心血管病的历史、危险因素和风险做出了巨大贡献，产生了持久和深远的影响。FHS 通过连续随访、跨代设计、多个时点的功能和解剖测试以及高通量组学所得的数据资源为美国和欧洲的其他一些研究者提供了研究基础和灵感，为心血管病流行病学研究做了有益的补充。随着FHS 的与时俱进，尤其在心血管病的分子基础及基因层面进一步探索有助于开发个性化的治疗和预防方法，将会造福全球心血管病病人。