痰液生物标志物在慢性阻塞性肺疾病诊治中的研究进展

马青松，刘凌，赵芝焕

生物标志物是一种能够客观测量和评价正常生物学过程、致病过程及对干预措施药物学反应的指标［1］。慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种复杂异质性疾病，具有多种表型，近年来进行了很多关于生物标志物研究，如：鉴别COPD、哮喘、支气管扩张等疾病的诊断生物标志物，识别具有频繁急性加重表型COPD患者的预后生物标志物，确定最有可能在特定干预或治疗中获益（或有害）COPD亚群的预测生物标志物［2］。痰液主要来源于中央大气道，含有这些部位的生化物质。通过分析痰液生物标志物与临床指标、各种评分量表的关系，提出新的辅助诊断、病情评估指标及治疗靶点，可在一定程度上指导临床诊疗。但目前大多数生物标志物尚停留于研究阶段，并未在临床上得到应用。本文就痰液中生物标志物在评估COPD气道炎症、辅助诊断、预测急性加重、指导治疗等方面做一综述，为未来更深入研究提供思路。

1 评估气道炎症

近年来部分研究发现，COPD患者血清和痰液中某些生物标志物相关性较差［3-4］。PROBOSZCZ等［5］学者的一项回顾性研究发现，在未使用糖皮质激素的轻-中度COPD稳定期患者中，痰液与血液中嗜酸粒细胞计数无相关性，外周血液嗜酸粒细胞不能反映痰液中嗜酸粒细胞。HASTIE等［6］的一项多中心观察性研究，纳入SPIROMICS队列分析中2 737例患者，根据痰液和血液嗜酸粒细胞水平将患者分组，发现高水平痰液嗜酸粒细胞比高水平血液嗜酸粒细胞更能识别具有频繁恶化、严重肺气肿的重度COPD亚组，血液嗜酸粒细胞计数与痰液嗜酸粒细胞计数呈弱相关，存在较高假阳性率（72%）。NÚÑEZ等［7］纳入133例患者，评估同一患者痰液和血清中各种炎性递质相关性，以及炎性递质与肺功能指标之间的关系，发现COPD稳定期患者肺部和全身炎症之间无相关性，全身炎症与肺功能变量之间亦无相关性，可能导致两个部位炎症致病机制不同。综上，痰液较血液更好地反应气道炎症，COPD全身炎症与气道炎症之间的联系尚不清楚，目前并未发现能解释两个部位炎症联系的标志物及炎性通路，有待进一步研究。

COPD患者痰液中以中性粒细胞为主，20%～40%嗜酸粒细胞增高［5，8］。GAO等［9］的一项前瞻性研究纳入慢性阻塞性肺疾病急性加重期（AECOPD）患者83例，根据痰液中炎性细胞计数将其分为中性粒细胞型、嗜酸粒细胞型、混合粒细胞型、粒细胞缺乏型四个亚组，在14个月随访中，从急性加重期至稳定期，痰液炎性细胞亚型分类具有稳定性。表明AECOPD炎性反应具有异质性，这种亚型分类具有稳定性，痰液中炎性细胞分布可以作为AECOPD分类有价值的生物标志物。

2 辅助诊断和鉴别诊断

目前主要以吸入支气管扩张剂后第1秒用力呼气末容积与用力肺活量百分比（FEV1/FVC）＜70%为标准来诊断COPD。而随年龄增长，健康者肺功能指标会有所下降，以上述标准来诊断COPD会导致年轻者诊断不足，年长者诊断过度，故对于COPD诊断需要新手段或特异标志物。WU等［10］研究纳入5例COPD患者和5例健康者，评估外周血中性粒细胞对COPD患者痰上清液的趋化性，发现中性粒细胞对COPD患者痰上清液趋化性更高，且与COPD诊断标准（FEV1/FVC）有关，中性粒细胞趋化性可能具有作为COPD诊断生物标志物的潜力。但该研究纳入样本量有限，需要更多大型临床试验加以证实。

哮喘和COPD均是以气流受限为特征的慢性气道炎性疾病，有时在临床上却很难进行鉴别。GHEBRE等［11］纳入86例中重度哮喘和75例COPD患者，对二者痰液中18种细胞因子进行聚类分析确定生物亚群，分为3类：（1）哮喘为主，具有嗜酸粒细胞炎症和高Th2细胞因子浓度；（2）哮喘合并COPD，具有细菌定植引起中性粒细胞炎症和高白介素（IL）-1β水平；（3）COPD为主，具有混合粒细胞炎症和高IL-6水平。并在166例单纯重度哮喘和85例单纯COPD患者中进行验证，发现验证组和研究组相同亚群痰细胞、细胞因子分布相似。GÓRSKA等［3］的一项前瞻性研究发现，痰液嗜酸粒细胞和中性粒细胞百分比对于二者鉴别有较高准确性〔ROC曲线下面积（AUC）分别为0.79、0.75〕，但均显示中等或低灵敏度和特异度。根据痰液嗜酸粒细胞百分比、中性粒细胞百分比、IL-6、中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）、基质金属蛋白酶（MMP）-9水平和临床指标对患者进行聚类分析，可分为单纯哮喘、哮喘合并COPD聚类。BAI等［12］研究发现，通过检测痰液中炎性细胞因子〔IL-5、IL-9、IL-13、IL-6、IL-1β、肿瘤坏死因子（TNF）-α〕、T淋巴细胞亚群（CD4/CD8）有助于鉴别哮喘和COPD。因此，基于单一细胞因子区分两种疾病是有困难的，若能确定痰液炎性细胞、炎性因子谱的分布特点，提出更具体的亚群分类，将有助于鉴别二者，进一步个性化治疗。

3 判断气流受限的严重程度

COPD气流受限严重程度评估主要依据临床表现、肺功能及相关评分量表，易受评判者主观性及患者文化程度、回忆偏倚、操作耐受性的影响，故需要易于检测、客观的指标。一项纳入218例稳定期COPD患者的横断面研究，探索痰细胞类型与临床症状的关系，发现呼吸困难组患者痰液嗜酸粒细胞比例更高，而咳嗽组患者痰液中性粒细胞比例更高，嗜酸粒细胞对呼吸困难型COPD诊断率为83.1%，中性粒细胞对咳嗽型COPD诊断率为72.4%，表明痰液炎性细胞类型确实与COPD临床表现不同类型相关［13］。近年研究指出，中性粒细胞表型意味着更严重气道阻塞和肺气肿［3］，嗜酸粒细胞表型与疾病恶化严重程度有关［14］，痰液嗜酸粒细胞阳离子蛋白表达与COPD评估测试（CAT）的症状严重程度呈负相关［15］。CHOU等［16］的一项回顾性研究发现，吸入支气管扩张剂后FEV1增加0.4 L或15%可以预测痰液嗜酸粒细胞增多，二者存在相关性。因此，痰液炎性细胞学分类可以评估气流受限严重程度，但痰液嗜酸粒细胞增多是否可以说明气流受限具有可逆性，且各种炎性细胞增多的阈值尚不清楚，均需进一步研究。

近年来发现一些能够评估COPD气流受限的生物标志物。CAO等［17］研究发现，COPD患者痰液中组织蛋白酶E（CatE）水平较高，且与第1秒用力呼气末容积占预计值百分比（FEV1% pred）呈负相关，随着慢性阻塞性肺疾病全球倡议（GOLD）肺功能分级增加（Ⅰ～Ⅳ级），CatE水平逐渐升高，表明痰CatE与气流受限严重程度相关。KAWAMOTO等［18］指出痰戊糖素水平与FEV1% pred、FEV1/FVC呈负相关，而痰血管内皮生长因子（VEGF）水平则与之呈正相关；随着肺气肿严重程度的增加，痰戊糖素水平逐渐增加，痰VEGF水平逐渐下降，表明痰戊糖素、VEGF水平可用于评估气流阻塞和肺气肿严重程度。WELLS等［19］研究发现，痰液中乙酰基-脯氨酸-甘氨酸-脯氨酸（ACPGP）浓度与FEV1/FVC、GOLD分级、疾病严重恶化风险相关，高浓度痰ACPGP意味着距离首次严重恶化时间较短，表明COPD患者痰液中ACPGP浓度与气流受限及疾病恶化风险有关。LAI等［20］研究发现，COPD患者痰肝素结合表皮生长因子（HB-EGF）水平与CAT评分呈正相关。综上，痰液来源于气道，通过分析各种生物标志物与临床指标相关性，有助于探索新的病情评估指标。

4 预测急性加重风险

目前COPD主要通过既往年急性加重次数来预测未来急性加重风险，缺乏能够检测的指标。ELTBOLI等［14］研究指出，痰液嗜酸粒细胞增多与COPD急性加重发作频率呈正相关。FU等［21］研究发现，频繁急性加重COPD患者痰液中IL-1β基因表达水平明显升高，既往急性加重通过激活IL-1β全身炎性轴从而介导未来急性加重，IL-1β基因表达水平升高能预测未来1年频繁急性加重，可能介导COPD既往和未来频繁加重之间的恶性循环。BAINES等［22］研究在上述基础上，进一步探索IL-1途径生物标志物基因表达与频繁急性加重的关系，发现IL-1通路递质〔包括信号分子白细胞介素1受体关联激酶2（IRAK2）、白细胞介素1受体关联激酶3（IRAK3）、PELI1蛋白和信号受体白细胞介素1受体1型（IL1R1）〕表达与未来加重次数和严重程度有关。意味着，痰液嗜酸粒细胞增多，IL-1β基因及IL-1通路递质表达水平增加，可能识别出具有频繁急性加重表型的COPD患者。

AECOPD多由细菌、病毒感染所引起，探索相关易感性指标，有助于预测COPD急性加重风险。病原体分子成分可被气道中细胞表达分子模式识别受体（PRR）识别，从而引发炎症过程［23］。KINOSE等［24］一项前瞻性研究发现，有频繁急性加重史患者痰液中性粒细胞百分比、Toll样受体3（TLR3）基因表达增加，二者均与COPD急性加重相关；经多元Logistic回归分析后结果显示，TLR3基因表达不能作为COPD急性加重独立预测因子，但可能增加COPD恶化易感性。MALLIA等［25］研究发现，在COPD稳定期和急性加重期痰液中葡萄糖浓度均增加，且后者升高明显。痰液中葡萄糖浓度与炎性标志物、病毒载量和细菌负荷之间存在显著相关性。气道葡萄糖浓度升高可能导致COPD对气道感染易感性增加，这为开发预防和治疗COPD细菌感染非抗生素策略提供重要依据。因此，无论从病原微生物、还是从COPD气道环境角度出发，进一步探索疾病恶化易感性因素，有助于预测急性加重风险，开发新的治疗策略延缓疾病进展。

5 指导治疗

近年研究表明，通过痰细胞学分类确定气道炎症类型以便采取针对性治疗。嗜酸粒细胞为主型可能对皮质类固醇或Th2细胞因子（如：IL-4、IL-5、IL-13）治疗有反应，中性粒细胞为主型可能适用于抗生素或靶向中性粒细胞募集途径治疗，混合粒细胞为主型中Toll样受体和IL-6家族细胞因子可能是潜在治疗靶点，粒细胞缺乏型可能不需要抗感染治疗［26］。HO等［27］研究指出，在观察性和单中心对照试验中，基于痰细胞学分类治疗优于当前基于指南的建议，可预防未来病情加重和住院治疗，具有更好的预后和成本效益。在同一患者连续发作期间，气道炎症性质会发生变化，每次急性加重通过痰细胞学分类重新评估气道炎症性质，对于选择合适治疗方法有重要意义［28］。因此，结合痰细胞学分类可以一定程度指导治疗。

激素是目前主要抗炎药物，但在COPD患者中疗效各异，了解与激素抵抗相关细胞和分子机制，寻找特异标志物，识别对其抵抗患者，从而减少停药或长期用药带来的问题［29］，如吸入型糖皮质激素（ICS）与小剂量茶碱联合治疗可减轻COPD气道炎症并逆转糖皮质激素抵抗，痰液中较低硫化氢水平能够识别出从二者联合治疗中获益最大患者［30］。目前已确定的激素抵抗机制包括皮质类固醇受体磷酸化和修饰、组蛋白脱乙酰基酶2活性表达缺失［31］。MILARA等［32］研究发现，黏蛋白胞质尾（MUC1-CT）基因表达对于皮质类固醇疗效有调节作用。INUI等［33］研究发现，COPD患者吸入ICS不会影响痰CXC趋化因子配体（CXCL）1水平，却影响痰CXCL8水平，体外实验证实，抗炎药最小程度影响肺上皮细胞CXCL1产生，却明显抑制CXCL8产生。CXCL1介导中性粒细胞炎症可能对激素及其他抗炎药物作用不敏感。通过检测COPD患者生物样本中皮质类固醇受体改变及组蛋白脱乙酰基酶2、CXCL1的表达可能有望识别出对激素不敏感患者，同时针对激素抵抗或疗效调节机制提出新的治疗靶点，对于COPD的治疗将会更进一步。近年来，针对各种细胞因子的靶向治疗亦进行了相关研究（见表1）。

表1 COPD的生物制剂治疗研究Table 1 Studies on the treatment of COPD with biological agents

综上，COPD中性粒细胞炎症生物制剂治疗疗效并不显著，且可能出现粒细胞缺乏、感染、肿瘤等不良反应，而嗜酸粒细胞炎症生物制剂治疗则可能降低急性发作频率、改善肺功能，且未明显增加不良反应。对激素抵抗或逆转抵抗的治疗靶点可能是新的研究方向。

6 总结与展望

痰液是一种易获取且能反应气道细胞和生化物质成分水平的生物样本，痰细胞学分类作为目前确定气道炎症表型的最佳方法，将COPD分为四种炎症表型，以中性粒细胞型和嗜酸粒细胞型为主。通过痰液炎性细胞、炎性因子检测，应用聚类分析等方法提出更加具体亚群分类方法，能更好鉴别COPD和哮喘，有利于对二者重叠部分机制研究；进一步分析痰液生物标志物与各种临床指标、评分量表相关性，提出新的病情评估指标。探索介导COPD频繁急性发作炎症通路，以及细菌、病毒易感性增加的生物标志物，有望识别出具有频繁急性加重表型患者，提出新的治疗靶点。近年来，进行了多项COPD中性粒细胞炎症和嗜酸粒细胞炎症生物制剂研究，但未应用于临床实践，气道局部炎症与全身炎症相关性尚不清楚，用药安全性及疗程均未得到证实，是否可通过气道局部用药获得疗效并减少全身不良反应也未可知。缺乏各种生物标志物在正常人群中的参考范围。因此，以上均期待未来进行更深入的研究以指导临床干预和治疗决策。

作者贡献：马青松进行文章的构思与设计，文章的可行性分析，文献/资料收集、整理，撰写论文；刘凌进行论文的修订，英文的修订；赵芝焕负责文章的质量控制及审校，对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。