胡 洋 綜述,張 敏,丁 柔,黃志文 審校

(三峽大學附屬仁和醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科,湖北 宜昌 443001)

目前,慢性阻塞性肺疾病(COPD)已成為全球重要的公共衛(wèi)生問題之一[1]。在全球大于或等于40歲人群中,COPD發(fā)生率達9%～10%[2],死因順位處于第3位[3]。作為一種嚴重危害人類健康的常見病和多發(fā)病,對COPD的防治已然刻不容緩。COPD是一種復雜的異質性疾病,具有多種臨床表型,尋找合適的生物標志物可以預測疾病進程、判斷預后和評估治療反應,有利于對患者進行個體化治療和管理,提高患者生活質量。

根據美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)和美國國立衛(wèi)生院使用的BEST標準,生物標志物是指可對正常生理過程、疾病病理過程或危險因素暴露、治療和干預有一定反應的,可測量得到的物質,類別包括任何分子學、組織學、影像學或生理學特征,外周血細胞如嗜酸粒細胞(EOS)等均可以作為生物標志物[4]。近年來,隨著COPD多種表型的發(fā)現(xiàn),對COPD生物標志物的研究也越來越多。本文查閱相關文獻,就目前COPD生物標志物的研究進展進行了綜述。

1 痰液/肺泡灌洗液/唾液生物標志物

痰液是一種反映氣道細胞和生化物質成分水平的生物樣本,其細胞學分類是目前確定氣道炎癥表型的最佳方法,而炎癥在COPD發(fā)病機制中占重要作用。COPD痰液相關生物標志物主要分為炎性細胞、炎性因子和其他炎癥指標。

根據痰液炎癥細胞比例的差異將COPD分為中性粒細胞型、EOS炎癥型、混合粒細胞型及粒細胞缺乏型[5],其中以中性粒細胞為主,20%～40%患者EOS水平會升高[6]。EOS型炎癥常見于COPD患者(高達40%),痰液EOS水平增高與急性加重期COPD(AECOPD)風險增加有關[7]。除氣道炎癥細胞外,VITENBERGA等[8]在誘導痰液上清液中發(fā)現(xiàn)了許多炎癥介質,如白細胞介素(IL)系列、干擾素-γ、基質金屬蛋白酶(MMP)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等。HOULT等[9]對細菌性與非細菌性AECOPD的診斷準確性進行系統(tǒng)評價與薈萃分析時發(fā)現(xiàn),痰液IL-8、TNF-α與細菌性AECOPD存在關聯(lián),而細菌性AECOPD與高水平痰液IL-1β、IL-6、中性粒細胞彈性蛋白酶和髓過氧化物酶存在關聯(lián)的證據較弱。近年來,硫化物的研究取得了重大進展。SAITO等[10]研究發(fā)現(xiàn),在穩(wěn)定期和加重狀態(tài)下,COPD患者痰液硫化氫(H2S)水平均高于健康受試者。此外,痰液硫化氫(H2S)可能與中性粒細胞和氣流阻塞程度有關[11]。因此,H2S可能將成為一種新的有前景的生物標志物,其不僅可以預測中性粒細胞氣道炎癥,還可以監(jiān)測疾病的動態(tài)變化及預測COPD未來惡化的風險。

誘導痰細胞計數法是評估氣道炎癥的“金標準”[12],但誘導痰液的獲取仍然是一種半侵入性操作,其耗時并需要專業(yè)的工作人員來進行操作,可能會引起COPD患者不適。RICCI等[13]研究顯示,自然痰液標本可能是誘導痰液標本的完全無創(chuàng)的合適替代法,可用于評估COPD患者氣道中炎癥生物標志物,但部分干咳無痰患者不適合。有學者認為,痰液樣本不能代表肺遠端微環(huán)境,而肺遠端微環(huán)境是COPD的主要致病部位,支氣管肺泡灌洗液(BALF)則可以更好地反映肺部的實際狀態(tài)。HO等[14]使用負二項回歸和Cox比例風險檢驗確定了1年隨訪期間BALF中EOS水平升高與AECOPD之間的關系。該研究共納入63例COPD患者,其中57例有可用的BALF分類細胞計數,與無EOS水平增高患者相比,BALF中EOS水平增高患者急性加重率顯著增加。BALF中EOS水平增高或將是AECOPD風險的敏感標志物。然而,現(xiàn)較少有研究使用BALF中EOS計數來指導COPD治療。相比誘導痰液或自然痰液標本,BALF采集是侵入性的操作,需要專業(yè)的人員和設備。盡管獲取BALF的支氣管鏡檢查是一種侵入性的取樣方法,但根據BALF中生物標志物特點來指導COPD治療的潛力值得重視。

唾液作為呼吸道的非侵入性樣本更為簡便易得且適用于體力虛弱的老年患者。上氣道和下氣道的微生物群高度相關,并顯示出拓撲連續(xù)性,這意味著口腔細菌通過微抽吸成為下氣道的主要定植者[15]。MELO-DIAS等[16]創(chuàng)新性地研究了唾液細菌群落與COPD的關聯(lián),結果顯示,患者口腔細菌中存在豐富的擬桿菌群落(以共生普雷沃氏菌屬為主)可能對COPD嚴重惡化具有保護作用。盡管唾液細菌群落具有創(chuàng)新性,并且作為COPD的預后生物標志物具有巨大潛力,但其容易受到口腔健康如牙周炎和吸煙習慣的影響,還需要進一步研究。

2 呼出氣生物標志物

2.1一氧化氮 呼出氣一氧化氮(FeNO)檢測在呼吸功能檢查中具有重要意義,其水平與炎癥細胞數目高度關聯(lián),是國際公認反映氣道炎癥的主要生物標志物之一,具有無創(chuàng)安全、快速簡便、可重復性等特點。FeNO在支氣管哮喘診斷、管理等諸多方面均獲得顯著應用進展。近年來,隨著FeNO檢測技術的提升及對COPD中氣道2型炎癥的不斷深入認識,FeNO檢測在COPD中的臨床應用也日益得到關注。

多數研究表明,FeNO檢測可用來輔助診斷COPD。一項國外的meta分析表明,與健康對照組相比,穩(wěn)定期COPD患者FeNO水平更高[17]。非吸煙COPD患者FeNO、平均肺泡氣一氧化氮(CaNO)水平顯著高于健康人,提示FeNO檢測有助于COPD患者氣道炎癥的判斷[18]。對于EOS炎癥型COPD,研究發(fā)現(xiàn)痰液或血液EOS水平較低患者FeNO水平顯著低于EOS水平較高患者,且二者之間顯著相關[19]。CaNO不受吸煙影響,在COPD與支氣管哮喘的鑒別診斷中較FeNO具有更好的應用性[20],但也有少數研究認為其意義有限[21]。FeNO作為嗜酸性氣道炎癥標志物,多數學者認為其在COPD患者應用糖皮質激素治療時有一定指導意義。研究發(fā)現(xiàn),FeNO>25 ppb的不吸煙或已戒煙COPD患者對吸入性糖皮質激素(ICS)治療有較好反應,患者基線FeNO水平與ICS治療后肺功能檢查中第1秒用力呼氣容積(FEV1)增加呈顯著正相關,提示FeNO可作為非吸煙COPD患者ICS治療反應的生物標志物及預測因子[22]。張彩云等[23]研究顯示,穩(wěn)定期COPD患者FeNO水平與血液EOS水平無相關性,這與哮喘患者FeNO水平與血液EOS水平具有相關性不同,但FEV1占預計值百分比(FEV1%pred)≤50%的患者FeNO水平與血液EOS呈一定正相關。該研究還指出,FeNO不能代替血液EOS,用于穩(wěn)定期COPD患者ICS治療評估,但FEV1pred%<50%組FeNO水平在一定程度上可代替血液EOS,用于評估是否使用ICS治療。但FeNO可代替血液EOS,用于評估哮喘患者氣道嗜酸性炎癥。因為COPD的炎癥效應細胞以中性粒細胞為主,而哮喘則主要以EOS為主。關于FeNO水平與肺功能的相關性,目前國內外研究不一致。近年來,關于FeNO水平與COPD患者小氣道改變的關系研究較多。吳敏等[24]研究指出,FeNO水平可反映COPD患者小氣道炎癥程度,對監(jiān)測急性加重期炎癥活動有利。最近,有學者對FeNO與肺功能中一些提示小氣道功能的指標進行研究時發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定期COPD患者FeNO與FEV1%pred、FEV1/用力肺活量(FVC)、75%肺活量時的最大呼氣流速占預計值百分比、50%肺活量時的最大呼氣流速占預計值百分比、25%肺活量時的最大呼氣流速占預計值百分比呈負相關(P<0.001),且隨訪12個月發(fā)現(xiàn),高FeNO組急性加重次數明顯高于低FeNO組(P<0.001),其未急性加重生存時間明顯低于低FeNO組(P<0.001)[25]。提示FeNO水平與穩(wěn)定期COPD小氣道改變密切相關,其或能輔助判斷患者疾病活動狀態(tài)。

目前研究顯示,單一FeNO檢測在COPD中的應用價值仍存在爭議。一些學者開始關注FeNO聯(lián)合其他指標應用于COPD的研究。朱能洋等[26]研究發(fā)現(xiàn),最大中期呼氣流量與FVC比值、FeNO和血清標志物[IL-6、C反應蛋白(CRP)、肺泡表面蛋白D]之間存在一定的相關性,且在評估COPD患者病情嚴重程度方面具有重要意義,提示進行聯(lián)合篩查的方式可提高識別COPD高風險人群的能力。總之,無創(chuàng)、重復性好的FeNO檢測技術在COPD的氣道炎癥判斷、指導激素治療等方面均有重要意義,部分研究結果不一致可能與研究樣本量較少、試驗設計的科學性等有關。另外,FeNO檢測結果也可能受到如吸煙、飲食、ICS使用、檢測方法的規(guī)范性和準確性等因素影響。若將FeNO檢測技術與臨床評估、肺功能、生化指標等結合起來采取大規(guī)模、多中心、更嚴謹的臨床綜合研究,將進一步提升臨床醫(yī)生對COPD的認識和診治水平。

2.2H2S H2S既往被人們認為是一種毒性氣體,作為第3個被發(fā)現(xiàn)的可以從機體內源性產生的氣體信號分子,早年對H2S的研究多集中在心腦血管疾病、神經系統(tǒng)疾病領域,近年來的研究發(fā)現(xiàn)其在呼吸系統(tǒng)中也發(fā)揮著多種生理作用。諸多研究提示內源性H2S可能參與COPD的發(fā)病過程。DRAGONIERI等[12]研究顯示,吸煙會抑制H2S合成,H2S水平與肺功能、中性粒細胞炎癥水平、缺氧水平、治療療效和疾病轉歸等密切相關。研究表明,H2S可作為COPD良好的生物標志物。呼出氣中H2S作為一種簡單、無創(chuàng)、可重復性的檢測方法,其在COPD中的應用價值值得關注。ZHANG等[27]研究發(fā)現(xiàn),EOS水平增高的COPD患者呼出氣中H2S水平較低,且呼出的H2S與誘導痰液中EOS計數呈負相關,與COPD患者肺功能呈正相關,提示呼出氣中H2S水平可用于預測COPD患者氣道炎癥,也可作為COPD患者病情評估的有效指標。此外,孫云等[28]通過測定AECOPD患者、COPD穩(wěn)定期患者、健康吸煙者呼出氣中H2S、一氧化氮水平時發(fā)現(xiàn),二者呈正相關(r=0.467,、P<0.01)。一氧化氮是EOS炎癥標志物,而H2S有可能與嗜中性粒細胞炎癥有關,二者聯(lián)檢或許能有助于COPD的炎癥分型與精準治療[12]。這提示對呼出氣中NO與H2S進行聯(lián)檢,或再聯(lián)合血液和痰液EOS,能給臨床診療提供更多的信息,這需要未來的研究進一步證實。

3 血清生物標志物

血液中生物學標志物在操作難度、經濟、便捷等方面更有優(yōu)勢。目前研究較多、常規(guī)易得且可能較理想的COPD血清生物標志物主要有EOS、降鈣素原(PCT)、CRP、IL-6、纖維蛋白原(Fbg)等。

3.1EOS 血液EOS來源于骨髓中的祖細胞,成熟后釋放入血,在調節(jié)機體穩(wěn)態(tài)和參與多種疾病中發(fā)揮著重要作用,是關鍵的免疫效應細胞和炎癥細胞。近年來,血液EOS逐漸成為COPD患者治療領域的熱點和爭議焦點。慢性阻塞性肺疾病全球倡議(GOLD)于2017首次推薦將血液EOS作為COPD生物學標志物,用于指導穩(wěn)定期COPD患者的ICS個體化治療。其后,GOLD進一步更新了相關指導意見并提出,血液EOS可幫助臨床醫(yī)生評估在基礎治療上是否增加使用ICS,這可能有利于預防急性加重。血液EOS計數與ICS效應之間呈正相關,EOS計數越高,ICS效應越強,但關于EOS>300/μL或<100/μL的界值更應看作是一個“估計值”,而不是精確的“臨界值”。使用ICS治療EOS炎癥型COPD的價值更大,但采用血液EOS指導COPD患者使用激素類藥物的安全性和有效性仍存在爭議。爭議來源主要如下：(1)血液EOS能否真實反映COPD患者氣道EOS炎癥程度,誘導痰液細胞計數法是評估氣道EOS炎癥的“金標準”,血液EOS計數與誘導痰液細胞計數在哮喘患者中具有顯著相關性,但在COPD患者中相關性仍存在爭議。部分研究表明,血液和痰液EOS之間有很強的相關性[29]。另有研究則得出相反的結論[30]。(2)血液EOS水平持續(xù)升高是評估COPD急性加重風險和激素治療反應的重要指標[31],其穩(wěn)定性決定了血液EOS能否有效應用于臨床。OSHAGBEMI等[32]研究提示血液EOS的短期穩(wěn)定性較好,而其他研究卻發(fā)現(xiàn)了與之相反的結果[33]。

目前的研究多表明,血液EOS作為COPD的一種內在表型標志物在對預測AECOPD發(fā)生風險、指導穩(wěn)定期ICS使用及預測預后等多方面都具有重要價值,這表明血液EOS作為COPD生物標志物在指導COPD患者進行安全有效的管理和治療方面顯示出巨大潛力,但還需要進行更多的臨床研究來證實。

3.2PCT PCT在臨床上常用來作為生物標志物判斷是否有細菌感染。COPD患者通常在出現(xiàn)呼吸道感染時發(fā)生急性加重[34],其中細菌占40%～60%。關于PCT是否可用于區(qū)分細菌性與非細菌性AECOPD仍存在爭議。張艷平等[35]研究顯示PCT可用于細菌性與非細菌性AECOPD的鑒別,并可早期識別AECOPD患者病因。DAUBIN等[34]研究表明,盡管PCT水平在細菌感染引起的嚴重AECOPD中較高,但PCT區(qū)分細菌性和非細菌性感染的準確性較差。國內外均有研究表明,PCT水平升高程度與AECOPD患者疾病感染嚴重程度密切相關[36],這或將有利于早期識別危重患者。此外,在PCT指導AECOPD患者抗生素使用方面,一些研究表明,PCT引導的抗生素治療減少了抗生素使用和不良反應,且臨床療效不變[37],這將有利于減少抗生素濫用情況。但另有研究指出,PCT可能不足以作為開始抗生素治療的獨立標志物[34]。在2020版和2021版的GOLD中,關于建議使用PCT輔助制訂AECOPD初始抗生素治療方案是不一致和存在爭議的[38-39]。基于目前一些研究結果的不一致,在2022版和2023版GOLD中保持了與2021版一樣的建議,即目前不推薦使用基于PCT的方案來決定對AECOPD患者使用抗生素[1,40]。因此,PCT作為生物標志物對COPD的價值仍需要進一步研究。

3.3CRP CRP是一個由5個亞單位組成的環(huán)狀五聚體,可由IL-6、IL-1、TNF刺激肝臟細胞合成,極少部分由腎臟、內皮細胞、單核細胞、血管平滑肌細胞產生,是機體在受損、感染等出現(xiàn)的一種非特異性反應指標,在急性炎癥反應中增高。CRP水平一般在感染后幾分鐘即可測量,36 h后達到峰值,目前廣泛用于臨床。國外一項系統(tǒng)薈萃研究評估了61種生物標志物指導AECOPD患者使用抗生素的價值,結果顯示,血清CRP在區(qū)分細菌和非細菌性AECOPD方面最具有潛力[10]。在初級保健機構中,大多數AECOPD患者被予以抗生素治療,但這些抗生素可能無益,并且可能引起不良反應并增加后續(xù)耐藥性感染的風險。FRANCIS等[41]的一項隨機研究顯示CRP即時檢測(POCT)診斷策略在不損害COPD患者健康狀況或增加診治成本的情況下,實現(xiàn)了患者抗生素應用的顯著減少。這表明POCT可安全地減少不適當的抗生素使用,幫助遏制抗微生物藥物耐藥性并改善患者預后。CRP可用于輔助診斷AECOPD及指導其抗生素使用,評估COPD患者嚴重程度及死亡風險。研究顯示,無論是在穩(wěn)定期還是急性加重期,CRP水平越高,COPD評估測試(CAT)問卷評分越高,二者呈正相關[42]。此外,PCT和CRP聯(lián)合運用對AECOPD的診斷和預后評估價值更大[43]。但在最近連續(xù)3年的GOLD指南(2021版、2022版和2023版)中,COPD的生物標志物相關內容均未提及在對AECOPD患者需要進行抗生素治療時,能否依據PCT與CRP方案來安全地減少抗生素的使用,因為早期相關研究結果不一致,這有待更多的研究證實。

3.4IL-6 IL-6主要由單核巨噬細胞、Th2細胞、血管內皮細胞、成纖維細胞產生,是固有免疫系統(tǒng)對損傷和感染最初反應所表達的重要細胞因子,可介導肝臟產生急性期反應物如CRP等[44]。在IL-6與COPD炎癥機制方面,多數研究認為二者具有一定關聯(lián)。但也有研究認為,IL-6與COPD間無明顯關系。有學者在臨床實踐研究中發(fā)現(xiàn),AECOPD患者血液IL-6水平明顯升高,其與COPD患者急性嚴重程度成正比,IL-6水平結合CAT評分能更準確地評估COPD急性加重的風險[45-46]。但WEI等[47]研究表明,COPD患者IL-6水平升高可能與病情嚴重程度無關。另有學者報道,COPD患者血清IL-6水平較健康受試者升高,急性發(fā)作率與血清IL-6水平呈正相關[48]。多項研究均顯示,IL-6與COPD患者預后有諸多聯(lián)系,如CHEN等[49]研究表明,IL-6水平升高預示COPD患者疾病惡化和死亡的風險隨之增加。此外,HUANG等[50]研究發(fā)現(xiàn),IL-6與COPD患者近1年的急性加重期次數、CAT評分、改良版英國醫(yī)學研究委員會呼吸問卷評分呈正相關,與FEV1%pred、FEV1/FVC呈負相關,提示IL-6水平升高與COPD預后不良有關。

3.5Fbg Fbg是一種由肝臟合成的具有凝血功能的蛋白質,是凝血級聯(lián)反應的關鍵組成部分,也是一種主要的急性期反應物。在急性組織感染或損傷時及慢性全身性炎癥疾病狀態(tài)下,其水平顯著升高[51]。Fbg是首個被FDA認證為COPD基于臨床證據的生物標志物[52]。我國COPD領域的專家們在共同編寫的《AECOPD高風險患者識別與管理中國專家共識》中推薦,Fbg可作為評估COPD急性加重風險的2A類證據[53]。盡管血漿Fbg在作為COPD生物標志物方面顯示出巨大的潛力,但除COPD外,心血管疾病、類風濕關節(jié)炎、糖尿病和患有其他炎癥的患者血漿Fbg水平同樣會升高。此外,人口統(tǒng)計學特征包括年齡、性別、吸煙狀況和體重指數等也會影響血漿Fbg水平。因此,該指標在輔助臨床診斷方面仍然存在不確定性。

4 其 他

目前,有關細胞因子類的血清生物標志物,除了上述提到的IL-6,還有IL-8、TNF-α等。研究表明,AECOPD患者IL-8和TNF-α均高于穩(wěn)定型COPD患者[54]。與血細胞相關的生物標志物除EOS外,中性粒細胞/淋巴細胞比值(NLR)也受到了不少關注。NLR似乎是AECOPD患者死亡率的潛力預測指標[55]。NLR在穩(wěn)定期COPD患者病情嚴重程度評估、急性加重風險和不良結局預測、抗生素使用指導等方面均具有一定價值[55-57]。COPD患者在低氧狀態(tài)下會激活凝血系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn),AECOPD患者D-二聚體水平較穩(wěn)定期明顯升高[58],在中重度COPD患者中,D-二聚體水平高的患者更容易死亡[59]。這提示D-二聚體或許可用以評估住院患者預后風險。有研究提示AECOPD患者肺栓塞發(fā)生率高,D-二聚體可以為COPD合并肺栓塞患者的早期診斷提供價值,但肺栓塞與AECOPD部分臨床癥狀相似,D-二聚體無法對二者及其合并癥加以區(qū)分,提示D-二聚體對AECOPD的診斷缺乏特異性,不宜單獨作為疾病的診斷指標。研究顯示,隨著COPD嚴重程度的升高,紅細胞分布寬度(RDW)水平也隨之升高,其是COPD的獨立危險因素,且AECOPD患者RDW水平較穩(wěn)定期COPD患者更高[60]。一項系統(tǒng)評價顯示,RDW單獨或與其他參數結合使用,可用于穩(wěn)定期COPD和AECOPD患者的診斷和風險分層[61]。吸煙是COPD患者發(fā)病的主要風險因素,值得注意的是,非吸煙者血液H2S水平遠高于吸煙者[62]。SUZUKI等[12]研究顯示,穩(wěn)定期COPD患者血液H2S水平較健康組更高,而AECOPD患者血液H2S水平較健康組更低,且穩(wěn)定期和急性加重期患者痰液和血液H2S水平差異完全相反,加重期痰液H2S水平升高,而血清H2S水平降低。此外,SAITO等[11]研究顯示,痰-血H2S比值與COPD病情持續(xù)惡化有關,可反映疾病的發(fā)展及預后。提示痰-血H2S比值可能成為一個新的COPD標志物。JOLLIFFE等[63]研究表明,在嚴重缺乏維生素D的COPD患者中,補充維生素D可使其急性發(fā)作次數和住院率降低50%。因此,建議所有因急性發(fā)作住院的COPD患者都應評估和檢查是否存在維生素D嚴重缺乏癥(<10 ng/mL或<25 nmol/L),可在需要時補充維生素D[1,39-40]。這提示維生素D缺乏與COPD的發(fā)生和發(fā)展密切相關。

綜上所述,COPD生物標志物對COPD輔助診斷、急性加重的預測、病情嚴重程度的評估、臨床治療的指導及預后的預測等具有重要的應用價值。盡管目前有關COPD生物標志物的研究非常多,但由于大多數研究樣本量小、特異性差,部分研究結果不一致,最終能應用于臨床的十分有限。探討多種類型生物標志物的聯(lián)合,可能有利于提高生物標志物的臨床應用價值,為COPD診治策略的制定提供可靠依據。