慢性阻塞性肺疾病急性加重的生物标记物研究进展

承璐潇 吴桢珍 吴超杰 黄茂

南京医科大学第一附属医院呼吸与危重症医学科210029

COPD 是全球发病率和死亡率最高的疾病之一,目前我国40岁以上人群COPD 的患病率约为13.7%[1]。慢性阻塞性肺疾病急性加重 (acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease,AECOPD)是指呼吸症状急性恶化,导致需要额外的治疗[2]。AECOPD 是COPD 重要的死亡因素,COPD 患者急性加重后3.67年病死率达50%,随访到7.77年时高达75%[3]。生物学标志物是指任何能反映疾病进程的分子或其他物质,它应与疾病的发病、病理生理改变等过程密切相关。然而,目前AECOPD 的诊断几乎完全基于医生的临床判断,缺乏量化指标。因此,迫切需要寻找特异性AECOPD 的生物标志物,近年来研究发现了一些潜在的生物标记物,综述如下。

1 嗜酸粒细胞

COPD 患者在稳定期和急性加重期间均可表现出嗜酸粒细胞气道炎症。研究显示AECOPD 期嗜酸粒细胞计数超过340个/μl,重度急性加重患者再入院风险增高1.767倍[4]。COPD患者嗜酸粒细胞计数增高 (≥200/μl 或≥2%),再入院时间缩短[5]。Hastie等[6]通过前瞻性研究表明,与血嗜酸粒细胞相比,痰嗜酸粒细胞增高(≥1.257%)的COPD 患者气流阻塞更严重、生活质量更差、肺气肿更明显;并且,痰嗜酸粒细胞增高与AECOPD次数正相关;而外周血嗜酸粒细胞计数与痰嗜酸粒细胞计数不相关,提示评估气道嗜酸粒细胞水平在AECOPD 发展中更为重要。但一些研究提出了相反的结果。研究显示血嗜酸粒细胞计数＞300/μl并持续2年以上并不是AECOPD的危险因素,这些患者有更好的预后[7]。血液嗜酸粒细胞≥2%时,中度、重度AECOPD 风险并未增加[8]。COPD患者血嗜酸粒细胞增加与肺功能、生活质量呈正相关,并与10年病死率呈负相关[8-10]。2019年GOLD 慢性阻塞性肺疾病全球倡议中提出,单用长效支气管扩张剂 (longacting β2-adrenoceptor agonists,LABA) 持续恶化的COPD 患者,若每年有1次急性加重且外周血嗜酸粒细胞≥300/μl或者每年至少2次及以上中度AECOPD 或前一年至少有1次急性加重需要住院治疗且外周血嗜酸粒细胞≥100/μl建议升级为LABA/吸入性糖皮质激素 (inhaled corticosteroid,ICS)治疗;使用LABA/长效抗胆碱能拮抗剂 (long-acting antimuscarinic agent,LAMA))的持续恶化的COPD 患者,若血嗜酸粒细胞计数≥100/μl建议升级为LABA/LAMA/ICS治疗,若血嗜酸粒细胞计数＜100/μl建议加用罗氟司特或阿奇霉素[2]。

2 非对称二甲基精氨酸 (asymmetric dimethyl arginine,ADMA)

ADMA 是一氧化氮合成酶 (nitric oxide synthase,NOS)的竞争性抑制剂[11],来源于甲基化精氨酸在一些蛋白质上的蛋白水解[12]。一氧化氮 (nitric oxide,NO)是由L-精氨酸 (L-Arg)通过NOS合成的,可引起血管、支气管扩张。血清ADMA 水平升高可导致NO 水平降低,进而导致血管收缩、血小板凝集增加、内皮细胞黏附及血管肌细胞的增殖[13]。在COPD 中,存在L-Arg-NO 途径的激活,其与炎症及纤维化有关。有前瞻性研究显示,稳定期COPD 患者的ADMA 和L-Arg水平高于健康对照组,另外,AECOPD 患者的 ADMA 及对称性二甲基精氨酸(symmetry dimethyl arginine,SDMA)水平较其他组增加明显[14]。同时,ADMA 与 AECOPD 的疾病严重程度相关[14-15]。一项观察队列研究了 AECOPD 患者 L-Arg、ADMA 和SDMA 与其临床预后的关系,发现 ADMA 是AEOPD 患者全因死亡率的独立危险因素[16]。

3 血清胆红素

胆红素是一种体内抗氧化剂,可以保护脂质免受氧化应激、组织变性和死亡[17]。吸烟和其他环境氧化剂污染可显著降低血清胆红素浓度,但戒烟后不久血清胆红素会迅速升高[18]。Apperley等[19]发现胆红素与COPD 的严重程度和进展呈负相关,轻度至中度COPD 患者血清胆红素增高时,第一秒用力呼气容积 (forced expiratory volumone in one second,FEV1)水平增高,并且FEV1下降速度减慢。另有研究通过对辛伐他汀用于预防中度至重度COPD 恶化研究和阿奇霉素用于预防COPD 恶化研究的数据再分析发现,血清胆红素浓度高与AECOPD 风险低独立相关,有望成为AECOPD 风险的新的预测因子[20]。

4 利尿肽及和肽素

利尿肽家族中如脑钠肽 (brain natriuretic peptide,BNP)和心房钠尿肽 (atrial natriuretic peptide,ANP)都可作为心力衰竭的生物标记物,由于N-末端B 脑钠肽原(NT-proBNP)和BNP 是等分子生成且生物半衰期较长,临床应用更多见。研究显示,NT-proBNP 可以作为AECOPD 期患者左心室收缩功能障碍的诊断标志物,其截断值为1 505 pg/m L[21]。另有研究表明对于不伴有左室收缩功能障碍的AECOPD 患者,更高水平的NT-proBNP 提示这部分AECOPD 患者需要入住重症监护病房,并且住院时间更长,但并不能预测AECOPD 患者的预后以及是否需要机械通气治疗[22]。心房利钠肽前体中间片段 (MR-pro ANP)是心衰的新型生物标记物。MR-pro ANP 与AECOPD 患者的死亡率相关,提示其可以预测AECOPD的预后[23]。和肽素是一种与精氨酸加压素 (arginine vasopressin,AVP)同源的含有39 个氨基酸残基的糖肽,与急慢性心力衰竭的发生、发展高度相关。近年来有研究表明,和肽素是AECOPD 2年死亡率的强预测因子,并且在用于 AECOPD 的危险分层上的价值优于 NT-proBNP[24]。

5 微小核糖核酸 (microRNA)

近年来研究显示,一些循环microRNA 在AECOPD 期表达水平升高。与稳定期相比,AECOPD 患者的循环miR-146a和miR-146b水平下调,且miR-146a的水平与肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-α,TNF-α)、IL-6、IL-8和LTE-4表达水平呈负相关,miR-146b与IL-1β和白三烯B4 (1eukotriene B4,LTB-4)表达水平呈负相关[25]。AECOPD 患者miR-125b表达水平高于稳定期COPD 患者,且与TNF-α、IL-8和LTB-4的水平呈正相关,经相应治疗后,AECOPD 患者血浆中miR-125b的水平较前下降[26]。

6 生长分化因子-15 (growth differentiation factor 15,GDF-15)

GDF-15是转化生长因子β家族的细胞因子,也称为巨噬细胞抑制性细胞因子-1 (macrophage inhibitory cytokine-1,MIC-1)[27]。GDF-15在大多数实质组织中仅极低水平表达,在健康人体内,唯一表达高水平GDF-15 的人体器官是胎盘。在接收到不同细胞应激信号 (如缺氧、炎症、短波长光暴露和组织损伤)的刺激后,其表达上调。研究表明在AECOPD 期间,血清GDF-15 的水平显著升高,是AECOPD 患者住院不良预后的预测指标[28]。研究显示GDF-15的敏感度 (76%)、特异度 (62%)和诊断准确性(69%)等均高于C-反应蛋白 (C-reactive protein,CRP)(69%、48%、59%),其截断值为433 ng/m L[29]。有基于大量COPD 患者的横断面和纵向数据研究发现,血浆GDF-15水平与吸烟、AECOPD、恶病质和FEV1水平低等基线特征有关,GDF-15 水平增高与COPD 患者急性加重风险增大、FEV1和FVC 下降的速度增快、病死率增高相关[30]。

7 其他生物学标记物

胰岛素样生长因子结合蛋白 (insulin-like growth factor binding protein,IGFBP)家族是胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factors 1,IGF-1)的载体蛋白。与IGFBP1～6不同,IGFBP7 与胰岛素的亲和力更强,并参与了细胞的生长、衰老和黏附。研究发现AECOPD 患者血清IGFBP7较正常人升高,而且与AECOPD 的严重程度正相关,但与CRP 等无明显的相关性。AECOPD 患者接受规范治疗后,其IGFBP7的水平明显降低[31]。半乳糖凝集素-3 (galectin 3,Gal-3)是一种b-半乳糖苷结合凝集素,是重要的促炎介质,研究发现AECOPD 患者血清Gal-3增加,且其表达水平与吸烟、高敏CRP、pro-BNP 正相关[32]。可溶性尿激酶纤溶酶原激活物受体 (soluble urokinase-plasminogen activator receptor,su-PAR)是一种非特异性风险标记物,研究发现suPAR 水平升高是COPD患者30 d内病死率的独立预测因子[33]。Bartziokas等[34]发现血清尿酸水平可以协助AECOPD 患者的危险分层,AECOPD 患者血清尿酸水平增高与30 d内的病死率和1年内再加重入院的风险相关,患者住院时间延长,需要机械通气或入住重症监护病房。趋化因子配体18 (chemokine C-C motif ligand 18,CCL-18)是一种在肺内高表达的由树突状细胞和单核细胞/巨噬细胞分泌的炎性趋化因子,有前瞻性研究发现1年内有1 次及以上AECOPD 患者,血清CCL-18水平升高,且与需要住院治疗的急性发作频率密切相关,在多变量分析中发现CCL-18 是住院恶化的独立危险因素[35]。IL-8是全身炎症反应中重要的细胞因子,最近的一项随机对照研究表明,频繁急性加重的COPD 患者血清中IL-8 的水平明显升高,急性加重风险增大,预后差[36]。AECOPD 患者痰巨噬细胞中含铁血黄素的比例可以预测AECOPD 的风险,含铁血黄素水平与IL-6 水平正相关,含铁血黄素阳性率每增加1%,感染引起AECOPD的患者人数约增加4%[37]。颗粒蛋白前体是一种多效糖基化蛋白前体,在炎症反应中发挥重要作用。AECOPD 患者血清中颗粒蛋白前体的水平升高,且其表达水平与FEV1%预计值呈负相关,与中性粒细胞计数/淋巴细胞计数百分比以及CRP水平呈正相关[38]。

8 总结与展望

COPD 是具有多种表型的异质性疾病,AECOPD 是COPD 患者健康恶化、病死率增加的主要原因。临床上仍然缺乏简单、灵敏、特异性和可重复的生物标志物,目前发现的如上述一些生物标记物在一定程度上有助于AECOPD 的诊断、病情评估、预后判断,亦有可能成为新的治疗靶点。COPD 的表型、内型 (endotype)及基因型的研究将有助于生物标记物的确立,理想的生物标志物临床应用仍需更多的研究。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突