个体化预测小儿支原体肺炎合并哮喘发作风险列线图预警模型的建立

李影 乔侠

小儿支原体肺炎(mycoplasmal pneumoniae pneumonia,MPP)是由支原体感染后引发小儿支气管和肺泡的急性炎症,以持续性干咳、发热、气促等为临床主要表现症状[1-3]。随着症状进一步加重,可导致呼吸窘迫、肺不张、坏死性肺炎等诸多重度肺部症状。研究表明[4],约有42%的哮喘和喘息发作与支原体肺炎有关,其中,哮喘的发生发展、复发均受支原体肺炎感染影响,不利于患儿正常的发育和生长。故早期有效预测小儿MPP合并哮喘的风险,对指导临床早干预、早治疗尤为重要。列线图是一种经过数学统计转换成可视化图形的风险预测工具,单独列出并以评分的形式量化各预测变量,即可生成某种临床事件对于特定个体的发生的准确概率[5]。故本文旨在建立列线图模型,为小儿MPP合并哮喘防治工作提供依据。

资料与方法

一、研究对象

回顾性选取我院儿科2019年10月～2021年9月收治的249例MPP患儿作为研究对象,随访3个月,根据是否合并哮喘将其分为哮喘组和非哮喘组。纳入标准:(1)符合《儿童肺炎支原体肺炎诊治专家共识(2015年版)》中MPP诊断标准[6]。(2)经查体、X线或病原学检测等确诊为MPP。(3)年龄<12岁。(4)住院患儿。(5)在同一居所居住时间≥ 6个月。(6)患儿法定监护人知情同意受试。排除标准:(1)本次感染前合并血液、肝脏、心脏、皮肤等系统疾病症状。(2)病情恶化,转院或转移到重症监护室接受治疗。(3)合并肺炎衣原体、嗜肺军团菌、呼吸道合胞病毒、立克次体、腺病毒等其它病原体感染。(4)合并肾病综合征、病毒性脑炎、链球菌感染后肾小球肾炎、热性惊厥者。(5)临床资料不齐全者。本研究通过我院伦理委员会审批[亳医伦审(2019)第(023)号]。

二、 研究方法

参考患儿病历收集资料,其中包含性别、年龄、病程、是否烟草暴露、是否气道高反应、是否肥胖、是否早产、肺功能、血红蛋白水平、白蛋白水平、铁蛋白水平、白细胞计数水平、抗菌药物使用时间水平、血清补体水平、白细胞介素6水平、血管内皮生长因子水平、维生素D水平、是否家族哮喘史、是否胸腔积液、是否睡眠障碍。

三、 标本采集和检测

清晨空腹状态下分别抽取所有患儿肘部静脉血5 mL置入抗凝负压管,等待检验;应用离心机行3000 r·min-1离心处理15 min后,取血浆,检测各指标。其中(1)血红蛋白正常水平:新生儿在115～250 g/L、1岁以内儿童在110～160 g/L、1～6岁儿童在110～140 g/L、7～14岁在110～130 g/L。(2)白蛋白正常水平:新生儿在2.0～5.5 g/L、1岁以内儿童在2.4～4.4 g/L、1～6岁儿童在2.4～4.4 g/L、7～14岁儿童在2.4～4.4 g/L。(3)铁蛋白正常水平:50～150μg/L。(4)白细胞计数正常水平:新生儿在(5.5～30.0 )×109/L、1岁以内儿童在(5.5～17.0)×109/L、1～6岁儿童在(5.5～17.0)×109/L、7～14岁儿童在(4.5～13.0)×109/L。(5)血清补体正常水平:C3a:0.9～1.8 g/L、C4a:0.1～0.4 g/L、C5a:60～150 mg/dL。(6)白细胞介素6正常水平:新生儿小于70 pg/mL、1岁以内儿童小于40 pg/mL、1～3岁儿童小于20 pg/mL、4～6岁儿童小于15 pg/mL、7～17岁儿童小于10 pg/mL。(7)血管内皮生长因子正常水平:新生儿在40～160 pg/mL、1岁以内儿童在50～160 pg/mL、1～3岁儿童在60～130 pg/mL、4～6岁儿童在80～200 pg/mL、7～9岁儿童在80～200 pg/mL、10～12岁儿童在80～250 pg/mL。(8)维生素D正常水平:20～100 ng/mL或50～250 nmol/L。

四、 哮喘诊断标准符合《支气管哮喘防治指南(2020年版)》[7]。

五、肺功能检测

采用肺功能检测仪(型号:意大利MIR米尔Ⅲ型)检测,目前,临床根据受试儿童年龄或配合度通常采用潮气呼吸法和常规通气法进行检测。针对难以配合的患儿采用潮气呼吸法检测;对年龄范围在4～5岁、且能够配合的患儿采用常规通气法,对年龄>5岁的患儿普遍采用常规通气法检测。

六、 肥胖、早产判断标准

肥胖:体质量指数>28 kg/m2;早产:妊娠达到28周但不足37周分娩者。

七、 统计学分析

采用SPSS 22.0软件分析数据,计数资料行χ2检验,采用Lasso回归筛选非零系数的预测因素,Logistic回归分析筛选影响因素,以P<0.05为差异有统计学意义。采用R(R3.5.3)软件包和rms程序包制作列线图,采用rms程序包计算一致性指数(C-index),并绘制校正曲线、ROC曲线和决策曲线评估模型的预测效能。

结 果

一、 249例小儿MPP合并哮喘发作情况

经检测确认哮喘发作有43例,其发生率为17.27%。

二、两组患儿资料比较

对比两组患者参数资料,结果表明,不同性别、年龄、病程、是否肥胖、是否早产、肺功能、血红蛋白水平、白蛋白水平、铁蛋白水平、白细胞计数、是否家族哮喘史、是否睡眠障碍等资料差异无统计学意义(P>0.05),而是否烟草暴露、是否气道高反应、抗菌药物使用时间、血清补体水平、白细胞介素-6水平、血管内皮生长因子水平、维生素D水平、是否胸腔积液资料间差异有统计学意义(P<0.05)(见表1)。

表1 249例MPP患儿临床资料比较[n(%)]

三、 小儿MPP合并哮喘的预测因素筛选

基于249例MPP患儿的参数资料进行Lasso回归分析,通过交叉验证筛选最优λ值(见图1)。(图1)上横坐标表示模型中非零系数变量的个数,下横坐标表示Log(λ),纵坐标表示目标参量。图中两条虚线代表lambda.1se值和lambda.min值。Lambda.min是指在全部λ值中,获得一个最小目标参量均值;lambda.1se是指在lambda.min一个方差范围内得出最精简模型的λ值,本研究lambda.1se的值为0.021。此时进入模型的变量最终产生了8个具有非零系数的特征的预测因素。(图2)中每一条曲线代表了每一个自变量系数的变化轨迹,上横坐标是模型中非零系数的个数,下横坐标是loglog(λ),纵坐标是系数的值。随着模型压缩程度增大,λ值变大,模型选取变量的功能就会增强,从而进入模型的自变量个数也会越来越少。结果显示,8个具有非零系数的特征的预测因素即为是否烟草暴露、是否气道高反应、抗菌药物使用时间、血清补体水平、白细胞介素-6水平、血管内皮生长因子水平、维生素D水平、是否胸腔积液。

图1 Lambda与模型误差

图2 Lambda与变量的解路径

四、 小儿MPP合并哮喘的多因素Logistic回归分析

以MPP患儿是否发生哮喘为因变量,将单因素和Lasso分析筛选(P<0.05)的因素(是否烟草暴露、是否气道高反应、抗菌药物使用时间、血清补体水平、白细胞介素-6水平、血管内皮生长因子水平、维生素D水平、是否胸腔积液)为自变量,结果显示,烟草暴露、气道高反应、抗菌药物使用时间> 7天、血清补体水平异常、白细胞介素-6水平异常、血管内皮生长因子水平异常以及维生素D水平异常是小儿MPP合并哮喘的独立危险因素(P<0.05)(见表2,3)。

表2 多因素Logistic回归分析的变量赋值表

表3 小儿MPP合并哮喘的多因素Logistic回归分析

五、小儿MPP合并哮喘的列线图预警模型的建立与拟合优度检验

1 小儿MPP合并哮喘的列线图预警模型的建立 基于7项独立危险因素建立小儿MPP合并哮喘的列线图预警模型(见图3)。各条评分线左侧端点均对应为0分,右侧端点自“烟草暴露”指标起依次为85分、100分、99分、89分、84分、83分、100分,总分640分。使用方法:例如,1位MPP患儿若存在烟草暴露,气道高反应,同时血清补体异常,风险系数是85+100+89=274分,与之对应的发生哮喘风险约在13%左右。

图3 预测小儿MPP合并哮喘的列线图模型

2 小儿MPP合并哮喘的列线图预警模型的拟合优度检验 模型验证结果显示:C-index为0.827(95%CI:0.795～0.859),表明本列线图辨别度较好;校正曲线趋近于理想曲线,表明预测值与实测值基本一致,预测准确性良好(见图4);内部验证小儿MPP合并哮喘模型的ROC曲线下面积(AUC)为0.785(95%CI:0.757～0.813),表明区分度良好(见图5);决策曲线显示阈值概率在5%至65%范围内时,具有较高的净获益值(见图6)。以上均表明本模型具有良好的预测精准度。

图4 列线图模型的校正曲线验证

图5 列线图模型的ROC曲线验证

图6 列线图模型的决策曲线

讨 论

小儿MPP是临床常见肺部感染疾病之一,其病情变化快、预后差、并发症多、病死率高,严重威胁着患儿生命健康。研究发现[4,8],感染肺炎支原体是儿童哮喘的主要诱因,肺炎支原体能够定居繁殖在呼吸道上皮细胞中,以超抗原形式诱发巨噬细胞、单核细胞、淋巴细胞等炎性细胞浸润,聚集并释放多种生长因子和细胞因子,激活并修复免疫细胞,抵御细菌破坏。然而,免疫细胞也能够过度导致炎性反应及组织损害,反复感染肺炎支原体刺激免疫细胞增殖,产生慢性炎症,诱发呼吸道高反应,从而形成哮喘的病理基础。据文献报道[9],肺炎支原体感染约占哮喘发作诱因的3.3%～50%,且肺炎支原体可作为过敏原引发哮喘。因此,早期识别小儿MPP诱发哮喘的危险因素对于临床防治工作具有重要价值意义。

本研究筛选出烟草暴露、气道高反应、抗菌药物使用时间> 7天、血清补体水平异常、白细胞介素-6水平异常、血管内皮生长因子水平异常以及维生素D水平异常是小儿MPP合并哮喘的独立危险因素。(1)烟草暴露:本研究证实烟草暴露的MPP患儿哮喘发生率是烟草未暴露患儿的3.014倍,筛选烟草暴露是MPP患儿发生哮喘的危险因素,与陈智荷等[10]研究结论一致。究其原因,烟草燃烧后所产生的有害物质高达上千种,一氧化碳、多环芳烃、烟碱是其中最为常见,当前研究表明[11-12],多环芳烃、烟碱这2种主要有害物质对小儿哮喘发病有着重要影响。多环芳烃可加快呼吸道的过敏进程,改变呼吸道内径和弹性发育,增加IgE变应原特异性,在组织炎性反应中致使嗜酸性粒细胞占主导地位,影响表皮生长因子释放,从而造成MPP患儿肺结构重塑,诱发哮喘。烟碱可透过肺组织与乙酰胆碱受体结合,使呼吸道胶原蛋白异常沉着,加快呼吸道结构改变,导致被动呼气量减少,肺功能降低,呼吸道高反应性增加。(2)气道高反应:本研究证实存在气道高反应的MPP患儿哮喘发生率是没有气道高反应患儿的4.758倍,筛选气道高反应是MPP患儿发生哮喘的危险因素,与张萍等[13]研究结论一致。支原体肺炎感染所致上皮细胞坏死可减少舒张因子分泌,加剧气道狭窄进程和气道平滑肌收缩。同时,坏死的上皮细胞脱落后会暴露气道壁传入神经,提升气道敏感性。气道内大量堆积的分泌物、坏死组织及炎性细胞,可作用在暴露的传入神经,诱导大量分泌神经多肽。此外,支原体肺炎可灭活气道上皮细胞内中性肽内切酶,降低神经激肽清除能力,在平滑肌收缩的同时也能增加气道黏膜下腺体分泌和微血管渗出,诱发哮喘发作。(3)抗菌药物使用时间> 7天:本研究证实抗菌药物使用时间> 7天的MPP患儿哮喘发生率是抗菌药物使用时间≤ 7天患儿的3.438倍,筛选抗菌药物使用时间> 7天是MPP患儿发生哮喘的危险因素,与Donovan等[14]研究结论一致。研究表明[15],儿童哮喘与孕期青霉素、磺胺类及大环内酯类药物的应用相关。微生态环境改变尤其是胃肠道菌群是抗生素诱导儿童哮喘重要机制,人体免疫系统中微生态环境发挥着重要作用,而抗生素过度应用会减少儿童体内的微生物,诱发哮喘等变应性疾病。(4)血清补体水平异常:本研究证实血清补体水平异常的MPP患儿哮喘发生率是血清补体水平正常患儿的4.049倍,筛选血清补体水平异常是MPP患儿发生哮喘的危险因素,与孙京焕等[16]研究结论一致。研究表明[17],MPP患儿病情严重程度与免疫球蛋白浓度、血清补体均呈正相关,肺炎病程中炎症应激反应的过度激活也与血清补体和免疫球蛋白异常密切相关。血清中的一些补体成分如C3a和C5a等可通过激活单核细胞和嗜酸性粒细胞等免疫细胞,引起哮喘症状。此外,血清补体异常也会引起细胞膜渗透性改变,导致组织水肿,引起哮喘症状。(5)白细胞介素-6水平异常:本研究证实白细胞介素-6水平异常的MPP患儿哮喘发生率是白细胞介素-6水平正常患儿的3.395倍,筛选白细胞介素-6水平异常是MPP患儿发生哮喘的危险因素,与邱文辉等[18]研究结论一致。白细胞介素-6是一种炎症性细胞因子,可以引起多种炎症反应。白细胞介素-6可促进炎症介质的分泌,进一步加剧气道炎症反应,引起气道黏膜水肿、粘液分泌增多等哮喘症状。此外,白细胞介素-6还可以诱导神经系统出现异常兴奋性,进而引发气道高反应性和气道平滑肌收缩,加剧哮喘症状。研究发现[18],白细胞介素-6水平值超过34.7 pg/mL时具有重要的诊断价值,可作为儿童哮喘的参考指标。(6)血管内皮生长因子水平异常:本研究证实血管内皮生长因子水平异常的MPP患儿哮喘发生率是血管内皮生长因子水平正常患儿的3.963倍,筛选血管内皮生长因子水平异常是MPP患儿发生哮喘的危险因素,与于斌等[19]研究结论一致。支原体肺炎感染可导致血清血管内皮生长因子水平上升,上调血管内皮素-1释放,刺激黏液大量分泌、扩大气道炎症反应,诱导支气管痉挛和平滑肌收缩,诱发哮喘。(7)维生素D水平异常:本研究证实维生素D水平异常的MPP患儿哮喘发生率是维生素D水平正常患儿的2.875倍,筛选维生素D水平异常是MPP患儿发生哮喘的危险因素,与代树栋等[20]研究结论一致。研究表明[21],维生素D与肺癌、慢阻肺、哮喘等诸多肺部疾病的发生、发展密切有关。维生素D水平降低可导致呼吸道黏膜上皮角化、变性及增生,并降低其清除能力,使得炎症介质积聚,诱发炎症剧烈反应,导致气体交换受阻、肺组织损伤,增加哮喘发生风险。

疾病预测是医学评估患者预后结局的重要工具,列线图以可视化的图形代替传统繁琐的数学公式,对目标事件的风险程度进行预测,也便于预测疾病的长期预后[22]。列线图模型中每项变量均有对应的赋分线段和对应的得分值,整合变量分数值后即可计算总分数值,对应模型底部的风险值,从而获得目标事件发生风险。列线图基于统计分析结果明确预测变量的比例系数,综合各个变量的影响程度,将预测结果以简明的图形展示,其中烟草暴露为85分、气道高反应为100分、抗菌药物使用时间> 7d为99分、血清补体水平异常为89分、白细胞介素-6水平异常为84分、血管内皮生长因子水平异常为83分、维生素D水平异常为100分。为了防止模型过度拟合以及保障其准确性,本研究进行了多方面验证,结果显示,校正曲线与理想曲线走势基本一致,AUC为0.785,另外,阈值概率在5%～65%范围内有较高的净获益值,表明本模型预测效能良好。医务人员可以通过MPP患儿各变量得分情况预测哮喘发生概率,尽早识别高风险患儿并将其列为重点监护对象。同时,对可以控制的危险因素给予一定的预防措施,并及时调整诊疗方案。

综上所述,本研究构建的列线图预测准确性较高,能够较为可靠地评估MPP患儿合并哮喘风险,满足了临床上对于整合模型的需求,还有助于医务人员、监护人了解病情进展,从而推动个体化医疗的稳步发展。此外,样本量均来自于同一医院,数据选择可能会存在一定的偏倚,同时也没有进行模型外部验证;另外,纳入变量不全面,可能存在遗漏有价值的指标。