聚类分析在哮喘表型研究中应用的进展

黄伟健，邱晨，酆孟洁

暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)，广东深圳518001

支气管哮喘(简称哮喘)是一种以慢性气道炎症、气道高反应性和可逆性气流受限为特征的异质性疾病。据世界卫生组织报道，哮喘是世界范围内与艾滋病并列上升最快的疾病，其造成的社会经济负担超过艾滋病与肺结核的总和[1]。2014年我国流行病学调查显示哮喘患病率为1.24%[2]，2019年最新研究表明中国20岁及以上人群哮喘患病率为4.2%，患者总人数4 570万[3]。哮喘发病机制和临床表现复杂多样，具有明显的异质性[4]，患者对治疗反应不一。因此，探讨哮喘的异质性对其诊治和预后都具有重要指导意义。哮喘表型研究是了解哮喘异质性的有效方法。目前，哮喘表型分型标准尚不统一，其研究方法包括有偏分类法与无偏分类法，而聚类分析是无偏分类中一种合理客观的统计学方法，其在分析哮喘表型中价值十分突出。目前，国内外应用聚类分析来探讨哮喘表型的研究逐渐增多[5]，但缺少聚类分析在哮喘表型研究中的总结。因此，本文拟对这一领域的研究进展进行论述，以期全面评估聚类分析在哮喘研究中的应用价值。

1 哮喘表型研究概况

表型指机体可以观察到的特征，是机体的基因型和环境相互作用的结果[6]。哮喘表型分类方法繁多，大致可归纳为两大类，即有偏分类和无偏分类[7]。

有偏分类是指根据预先设定的条件进行表型分类。目前包括：①发病年龄相关表型：根据发病年龄分为早发性和晚发性哮喘。②诱发因素相关表型：根据诱发因素分为过敏性哮喘、运动性哮喘、阿司匹林性哮喘及职业性哮喘等。③气道炎性反应表型：根据诱导痰粒细胞分类计数分为嗜酸性粒细胞型哮喘、中性粒细胞型哮喘、混合粒细胞型哮喘和寡细胞型哮喘。④治疗反应相关表型：根据治疗反应分为激素敏感性哮喘和激素抵抗性哮喘。⑤肥胖相关性表型：根据体质量指数(BMI)分为肥胖型哮喘和非肥胖型哮喘[8,9]。

无偏分类是指通过无偏倚的方法(层次聚类、k-means聚类、自组织映射聚类等)进行表型分类。早在2008年，Haldar等[10]首先通过k-means聚类分析了初级保健组(轻度至中度哮喘为主)、二级保健组(难治性哮喘)和第三组人群(难治性哮喘为主)3个独立的哮喘人群，在初级保健组中识别出3个表型：早发性特应性哮喘、肥胖性非嗜酸粒细胞性哮喘、良性哮喘，在二级保健组识别出4个表型：早发性特应性哮喘、肥胖性非嗜酸粒细胞性哮喘、早发性症状为主型哮喘、炎症为主型哮喘。

2 聚类分析在慢性呼吸道疾病中的研究概况

聚类分析是通过直接比较各事物之间的性质，将性质相近者归为一类，性质差别较大者归入不同类的一种多元统计分析方法[11]。常用的统计聚类分析方法包括分层聚类、快速聚类、两阶段聚类、动态聚类、最优分割和模糊聚类等。聚类分析常与主成分分析、因子分析联合应用。主成分分析是在保留全部或者绝大部分原始信息的前提下，从多个数值变量间的相互关系入手，将有相关关系的多变量降维转换为较少的综合变量，新的综合变量间彼此独立[13]。因子分析法是从变量群中提取具有共性因子的统计技术。从众多变量中将具有相同本质的变量归入一个因子，从而可以减少变量的数目，用少数几个因子去反映许多指标或因素之间的联系，能代表全部变量群的大部分信息，因此这些新变量仍然具有很高的可信度[14]。聚类分析、因子分析和主成分分析三者综合应用有助于将表现复杂，存在共线性的相关变量筛选为新的变量，所得的新的变量彼此独立，同时可以实现对众多存在相关关系的临床资料进行降维处理，使问题简化。目前，聚类分析已经广泛应用于慢性阻塞性肺疾病、支气管扩张、肺曲霉菌病等各类慢性呼吸道疾病的表型分析研究中[15]。此外，聚类分析也为哮喘的表型分类提供了新的分类方法，为哮喘机制研究提供了新的切入点和视角。

3 聚类分析在哮喘表型研究中的应用

3.1 聚类分析在重度哮喘分型中的应用 按疾病严重程度分类，哮喘既往常被分类为间歇性、轻度、中度、重度[16]。Moore等[17]认为目前分类和管理方法并未反映哮喘的异质性。他们进行了重症哮喘研究计划，研究共纳入了726例12岁以上的非吸烟哮喘患者，层次聚类分析后共识别出5个表型：轻度特应性哮喘、轻至中度特应性哮喘、晚发性非特应性哮喘、重度特应性哮喘、伴固定气流阻塞的重度哮喘。该临床表型体现了哮喘的异质性特征，并提示不同表型存在不同的病理生理机制。

3.2 聚类分析在哮喘急性发作期分型中的应用 许多哮喘患者在长期随访中出现急性发作。Qiu等[18]收集了320例哮喘急性发作恢复期患者的各项数据，通过Ward′s分层聚类确定了4种不同的临床表型：①和③的特征主要是嗜中粒细胞型气道炎症的女性患者，其中①与早发型哮喘和轻度阻塞性肺通气功能障碍有关，③与中度阻塞性肺通气功能障碍有关；②和④主要以重度阻塞性肺通气功能障碍和嗜酸粒细胞型的气道炎症为特征，其中②以极重度阻塞性肺通气功能障碍的非吸烟女性哮喘患者为主；④以吸烟的男性哮喘患者为主。该研究认为，急性发作恢复期哮喘不同亚型区分的基础是嗜酸粒细胞型或嗜中性粒细胞型气道炎症伴有不同程度的气流受限，存在严重气流受限的非吸烟或吸烟哮喘急性发作恢复期患者均存在嗜酸粒细胞型气道炎症。该研究通过描述急性发作恢复期的哮喘患者的聚类分析特征，有助于对这些不同急性加重表型哮喘患者的个体化治疗。

3.3 聚类分析在哮喘治疗上的应用 美泊利单抗是针对IL-5的人源化单克隆抗体，主要抑制嗜酸性粒细胞炎症，并且已被临床研究证实在严重嗜酸性粒细胞性哮喘的患者中可显著降低痰和血液嗜酸性粒细胞水平[19]。已有Meta分析评估美泊利单抗在治疗哮喘患者的临床效果和安全性[20]。然而，哮喘是具有异质性特征的疾病，不同的哮喘患者可能对美泊利单抗有不同的治疗反应。为此，Ortega等[21]通过聚类分析探讨各亚组对美泊利单抗的治疗反应。最终确定了4个亚组：①平均年龄51岁，女性占62.7%，主要特征是血嗜酸性粒细胞水平相对较低，疾病的平均持续时间为14年，平均发病年龄为35岁。血总IgE低于其他组，呼出气一氧化氮(FeNO)(> 50 ppb)升高的患者比例(45.5%)与另一组相似(45.5%)。与安慰剂相比，美泊利单抗使这些患者急性发作频率下降了12%。②平均年龄为48岁，主要特征是低气道可逆性，疾病的平均持续时间为18年，平均发病年龄为30岁，合并鼻窦炎和鼻息肉的比例较高(分别为16.7%和17.7%)。与安慰剂相比，美泊利单抗使这些患者的急性加重频率减少了53%。③平均年龄为49岁，主要特征是气道可逆性高，BMI为25.3 kg/m2(与前两组类似)，疾病的平均持续时间为15年，平均发病年龄为34岁。与安慰剂相比，这些患者使用美泊利单抗可使急性加重频率减少36%。④平均年龄为50岁，大多数是女性(79%)。主要特征是气道可逆性较高和肥胖(BMI为33.9 kg/m2)疾病的平均持续时间为18年，平均发病年龄为32岁。急性发作史较多，基线时FEV1%为66%，是其他组中最低的。合并症较多，包括体质量增加、高血压和焦虑。与安慰剂相比，美泊利单抗使这些患者急性加重频率减少了67%。该研究提示具有嗜酸性粒细胞炎症的患者在美泊利单抗中获得显著的治疗益处，但各亚组的治疗反应不一，美泊利单抗在血嗜酸性粒细胞大于150个/μL细胞的哮喘患者中治疗效果较好，而在多并发症及气道具有明显可逆性的哮喘患者中治疗效果最好。此外，该研究还认为通过聚类分析，可以识别更有特异性的生物标志物及更好地了解哮喘机制，同时也增加了哮喘个体化治疗的选择。

3.4 聚类分析在哮喘影像学中的应用 高分辨率CT(HRCT)一直被用于评估哮喘患者气道壁增厚程度与肺内气体潴留量。HRCT不仅能够有效且无创地评估气道壁结构和气体潴留状况，而且能够整体评估哮喘的肺部病理改变。Choi等[22]基于定量CT成像的聚类来区分了4个亚组：①早发年轻非重度哮喘患者，其特征为可逆性气流阻塞、气道结构正常；②兼有非严重哮喘患者和严重哮喘患者，其特征为气道管腔狭窄、无壁增厚；③为早发性肥胖女性重症哮喘患者，其特征为肺功能可逆，气道壁增厚；④年龄较大的男性患者，其特征为具有迟发性中性粒细胞为主的炎症，伴有明显的空气潴留和肺可塑性减少。其中③和④主要为严重的哮喘患者，血淋巴细胞减少和中性粒细胞增加。该研究在各组中所观察到独特结构和功能变化可，为哮喘现有病理生理学提供了新的见解。从而可能对制定有效的哮喘患者干预措施以及未来的研究有帮助。

3.5 聚类分析在哮喘合并其他疾病的表型研究中的应用

3.5.1 哮喘合并肥胖 2014版GINA将肥胖型哮喘列为一个独特的哮喘表型。该表型难以控制，对哮喘标准药物治疗的反应性低，住院率及入住ICU的比率高。Sutherland等[23]对250例轻度至中度持续性哮喘患者进行了聚类分析研究，最终确定了4个亚组：①②为非肥胖哮喘患者亚组，③④为肥胖哮喘患者组。①比②肺功能更好、女性患者更多和哮喘发病年龄更晚，但哮喘症状表达、哮喘控制程度和炎症的生物标志物(FeNO、IgE和超敏C反应蛋白)方面无明显差异。③在儿童期发病，症状持续，哮喘控制欠佳，FeNO最高。④在青春期发病，气道高反应性最明显。③和④在BMI、肺功能、性别、种族组成、年龄、脂肪因子瘦蛋白、脂联素以及超敏C反应蛋白方面相似。该研究显示，肥胖是成人哮喘表型的重要决定因素。在肥胖个体中，哮喘的临床和炎症生物标志物的表达存在异质性。肥胖哮喘患者可能对糖皮质激素不敏感。

3.5.2 哮喘合并抑郁 哮喘合并抑郁十分常见，最近一项纳入了10项研究的Meta分析表明，相对于对照组，哮喘组患者抑郁风险明显升高，2.24%～24.9%的哮喘患者患有抑郁[24]。Seino等[25]收集了95例合并抑郁症状哮喘患者的临床数据，利用Ward′s分层聚类确定了3组表型：①老年，依从性可能较差，哮喘严重且控制欠佳；②老年，BMI低，依从性好，但哮喘严重且控制不佳；③年龄较小，BMI较高，依从性好，哮喘控制良好，很少有重度哮喘。研究发现，合并抑郁症状的哮喘患者大约一半病情严重、哮喘控制欠佳，这很可能与依从性差、年龄、疾病持续时间、BMI有关，但这些关联仍需进一步研究。研究还进一步指出，改善哮喘合并抑郁患者的哮喘控制状态和严重程度可能需要考虑改善哮喘治疗依从性或与心理学家咨询干预措施。

4 结语及展望

哮喘表型分类研究，对明确其发病机制、指导治疗和判断预后有重要意义。聚类分析的应用，是哮喘的个体化治疗策略从基础到临床的重要桥梁。基于聚类分析的哮喘表型研究仍有大量问题需要深入研究和解决：①大多数为经典哮喘的聚类分析研究，有关咳嗽变异型哮喘、阿司匹林诱导的哮喘、职业性哮喘、哮喘合并鼻部疾病的聚类分析未见研究；②哮喘各表型发病机制复杂多样，至今尚未完全明了，虽然表型研究可以描述疾病特征，但其内在机制有待深入探讨；③临床上不但需要能反映哮喘异质性、指导哮喘个体化治疗的表型分类，更需要相对简易可行的分类方法，构建适用于日常临床工作的表型分类模型是一项重要的研究方向；④针对不同哮喘表型，期待有更多的治疗手段用于哮喘治疗，需要严格的临床随机对照试验来验证其疗效及安全性。