血清淀粉样蛋白A与老年COPD患者肺弥散功能及运动受限的关联性分析

欧 阳, 钟粲野, 张树堂, 王 卫

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是世界范围内发病率和病死率较高的疾病[1],可靠和可重复的生物标志物在COPD的诊治中起着关键作用。血清淀粉样蛋白A(serum amyloid A,SAA)是一种典型的炎症生物标志物,可参与介导多种炎症反应和自身免疫反应,与COPD频繁发作密切相关[2]。然而,目前尚未发现SAA与老年COPD表型之间关系的报道[3-4]。根据全球慢性阻塞性肺疾病倡议(Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease,GOLD),支气管扩张后第1秒用力呼气容量(forced expiratory volume in the first second,FEV1)与用力肺活量(forced vital capacity,FVC)的比值是诊断COPD的关键指标[5-6]。然而,该变量对于气流受限诊断的特异性受年龄影响,可能存在对老年COPD过度诊断,因此根据肺通气指标校正年龄等相关因素后的Z评分(Z-score)确定肺正常下限(lower limit of normal lung,LLN)可能是更可靠的诊断方法[7]。此外,肺功能测量不足以识别临床表现背后的异质结构改变,包括气道疾病、肺气肿和血管异常等。单次呼吸的肺一氧化碳弥散因子(transfer factor for carbon monoxide,TLCO)是反映肺泡腔气体交换能力的一种无创、可重复的生理测量指标,基于TLCO的功能表型分析有助于COPD的治疗[5]。劳累时呼吸困难导致的运动不耐受是肺气肿表型的主要表现。通过心肺运动试验(cardiopulmonary exercise testing,CPET)评估的峰值摄氧量(peak oxygen uptake,VO2peak)是运动能力的直接衡量指标,其下降与COPD病死率增加相关[8]。因此,本研究旨在评估老年COPD患者SAA水平与肺弥散功能异常及运动受限的关系,从而为寻找可靠的老年COPD诊治生物标志物及研究其发病机制提供新思路。

1 对象与方法

1.1研究对象 招募2020年1月至2021年7月重庆大学附属涪陵医院收治的188例老年稳定期COPD患者。纳入标准：(1)年龄60～80岁。(2)因运动不耐受而进行肺功能测试(pulmonary function test,PFT)和CPET评估。(3)符合Hankinson等[9]提出的COPD诊断标准,即支气管扩张剂后FEV1/FVC

1.2临床资料收集 通过医院电子病历系统收集研究对象的临床资料,包括性别、年龄、身高、体重、体质量指数、种族、目前吸烟情况,以及β受体阻滞剂和支气管扩张剂使用情况。

1.3PFT 治疗前,采用肺功能测量仪(HI-801,捷斯特公司,日本)进行PFT,收集患者吸入200 μg沙丁胺醇后的肺功能指标：FEV1与预测值的百分比(FEV1as a percentage of predicted value,ppFEV1)、FVC、FVC与预测值的百分比(FVC as a percentage of predicted value,ppFVC)、FEV1/FVC。另外,一次性吸入以体积分数为21% O2、0.3% CO、0.3% C2H2、0.3% CH4及平衡N2混合的气体,得到肺功能指标TLCO、一氧化碳扩散常数(carbon monoxide transfer coefficient,KCO)、肺泡通气量(alveolar ventilation,VA)。根据美国胸科学会(American Thoracic Society,ATS)/欧洲呼吸学会(European Respiratory Society,ERS)[10]建议,使用全球肺功能倡议(Global Lung Function Initiative,GLI)软件[11-12]计算动态肺容量和肺弥散量的预测值和Z-score[FEV1Z-score、FVCZ-score、(FEV1/FVC)Z-score、KCOZ-score、VAZ-score、TLCOZ-score]。根据年龄、性别、身高及种族校正后的Z-score=-1.645[Lambda-Mu-Sigma(LMS)函数的第5百分位数]定义为LLN。将TLCO

1.4CPET PFT检查完成后1周内进行CPET。首先,在卧式功率车(Corival Recumbent,美国Medical Graphics)上进行增量运动测试。工作速率增加5～25 W/min,旋转速度保持在60～70 r/min,直到达到最大运动负荷(即由于呼吸困难、腿部不适/疲劳、其他,或速度降至<50 r/min,无法继续进行测试)。将CPET数据按患者每次呼吸进行分切,于20 s内记录以下指标：(1)氧气摄取(oxygen consumption,VO2)。(2)二氧化碳排出量(carbon dioxide output,VCO2)的平均值。(3)VO2的最高值通过体重标准化,称为VO2peak。(4)使用340型手指探头(美国Nonin)从静止到试验终止连续测量脉搏血氧饱和度(saturation of pulse oximetry,SpO2),最小值称为SpO2min。(5)最大通气量(maximum ventilation volume,MVV)=FEV1×40[14]。(6)通气率(ventilation rate,VR)=1-峰值分钟通气量(peak minute ventilation,VEpeak)/MVV[15]。(7)最大心率(maximal heart rate,HRmax)=220-年龄。(8)心率储备(heart rate reserve,HRR)=1-峰值心率(peak heart rate,HRpeak)/HRmax[15]。(9)运动峰值呼吸交换率(peak respiratory exchange ratio,RERpeak)。

1.5SAA水平检测 在PFT和CPET前,通过静脉采血管采集肘静脉血样5 mL,以2 500 r/min离心15 min,收集血清,-80 ℃保存备检。采用酶联免疫吸附试验(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)测定SAA水平,试剂盒购自上海晶抗生物工程有限公司,实验操作严格按照试剂盒说明书进行。所有样本均重复测量3次,取平均值。

2 结果

2.1两组临床资料比较 两组性别、目前吸烟(人数比例)、β受体阻滞剂和支气管扩张剂使用情况比较差异无统计学意义(P>0.05)。与弥散功能正常组相比,弥散功能异常组患者年龄较大,体质量指数较低,差异均有统计学意义(P<0.05),见表1。

表1 两组临床资料比较

2.2两组PFT指标比较 与弥散功能正常组相比,弥散功能异常组FEV1、FEV1Z-score、ppFEV1、FVC、FVCZ-score、ppFVC、FEV1/FVC、(FEV1/FVC)Z-score、KCO、KCOZ-score、VA、VAZ-score、TLCO、TLCOZ-score较低,差异均有统计学意义(P<0.05),见表2。

表2 两组PFT指标比较

2.3两组CPET指标比较 两组VR、静息时SpO2、CPET停止原因比较差异无统计学意义(P>0.05)。与弥散功能正常组相比,弥散功能异常组VO2peak、RERpeak、HRR、VEpeak、MVV、SpO2min较低,差异均有统计学意义(P<0.05),见表3。

表3 两组CPET指标比较

2.4影响老年COPD患者肺弥散功能的多因素logistic回归分析结果 以肺弥散功能情况为因变量(1=异常,0=正常),以表1、表2、表3中有统计学意义的指标作为自变量纳入多因素logistic回归模型,分析结果显示较低的ppFEV1、FVCZ-score、(FEV1/FVC)Z-score是促进老年COPD患者肺弥散功能异常的独立危险因素(P<0.05),较高的ppFVC、FEV1/FVC、VAZ-score是抑制老年COPD患者肺弥散功能异常的独立保护因素(P<0.05),见表4。

表4 影响老年COPD患者肺弥散功能的多因素logistic回归分析结果

2.5SAA水平预测老年COPD患者肺弥散功能异常的效能分析结果 弥散功能异常组SAA水平显著高于弥散功能正常组[(135.09±58.05)ng/mL vs (78.10±32.81)ng/mL,t=8.079,P<0.001)。ROC曲线分析结果显示,SAA水平具有预测老年COPD患者肺弥散功能异常的应用价值[AUC(95%CI)=0.797(0.735～0.860),P<0.001],最佳截断值为85.07 ng/mL,其对应的灵敏度和特异度分别为77.50%和69.80%,见图1。

图1 SAA水平预测老年COPD患者肺弥散功能异常的ROC曲线图

2.6SAA水平与FEV1Z-score、ppFEV1的多元线性回归分析结果 校正性别、年龄、体质量指数、吸烟史、β受体阻滞剂和支气管扩张剂使用情况后,发现全部老年COPD患者的SAA水平与FEV1Z-score、ppFEV1相关(P<0.05)。进一步分层分析发现,FEV1Z-score与ppFEV1每降低一个单位,弥散功能异常组患者的SAA水平分别升高0.009(95%CI：-0.013～-0.005)ng/mL、0.149(95%CI：-0.210～-0.088)ng/mL,见表5、表6。

表5 SAA水平与FEV1Z-score的多元线性回归分析结果

表6 SAA水平与ppFEV1的多元线性回归分析结果

2.7老年COPD患者SAA水平与VO2peak的相关性分析结果 Pearson相关分析结果显示,老年COPD患者的SAA水平与VO2peak呈负相关(r=-0.512,P<0.001),见图2。

图2 老年COPD患者的SAA水平与VO2peak的Pearson相关分析结果图

3 讨论

3.1本研究显示,SAA水平对老年COPD患者肺弥散功能异常有良好的鉴别诊断效能。此外,FEV1Z-score、ppFEV1与SAA水平呈负相关,且这种相关性仅表现在弥散功能异常组患者中,而在弥散功能正常组患者中未观察到有相关性。VO2peak是运动能力的直接衡量指标,本研究中老年COPD患者SAA水平与VO2peak呈负相关,同时弥散功能异常(降低)患者的运动能力弱于弥散功能正常患者,说明SAA水平升高可导致肺功能下降和呼吸困难,进而导致老年COPD肺弥散功能异常患者运动受限。

3.2根据GOLD[6],COPD最常使用支气管扩张剂后肺活量测定来确定气流受限程度,并将FEV1/FVC<70%作为诊断标准,然而其是否为定义气流受限的最佳方法仍存在争议。先前的报道[16-19]称,在多器官系统和病理生理机制相互作用下导致的个体患者运动受限的异质性疾病中,FEV1和VO2peak之间可能存在弱正相关性。然而,使用预测百分比对FEV1进行归一化也可能削弱与VO2peak的关联,尤其是在性别、年龄和身高不同的研究人群中。因此,本研究选取ATS/ERS推荐使用的Z-score作为诊断及评估依据,LLN为校正年龄、种族、性别和身高后得出,可避免对老年COPD的过度诊断。计算动态肺容量Z-score的参考方程很容易获得,ATS和ERS都认可将肺功能测量的LLN下限定义为Lambda-Mu-Sigma(LMS)函数的第5百分位数(Z-score=-1.645)。这也是本研究的主要优势之一：在报告FEV1与VO2peak的关联时使用了肺功能测量的Z-score。这种方法是新颖的,考虑到个体间性别、年龄和身高的差异,TLCOZ-score比TLCO能更正确地识别COPD肺弥散功能状况。

3.3本研究结果显示,弥散功能异常组患者SAA水平高于弥散功能正常组,而且SAA水平与VO2peak呈负相关,这提示SAA可能在肺弥散功能异常的病理机制中起重要作用。SAA为一类高度保守的急性期蛋白家族成员,在急性感染性疾病的进展与诊断方面得到广泛应用。近年来,SAA在慢性炎性疾病发病过程中的作用也被广泛研究[20-21]。SAA水平在细菌感染、病毒感染、自身免疫性疾病、自身炎性疾病和转移性癌症中均发现异常升高[22]。SAA活性受其脂质结合的调节,已被研究证明会影响动脉粥样硬化的发展[23]。一项Meta分析显示,SAA诊断成人脓毒症的灵敏度和特异度分别为0.72和0.69,可作为诊断成人脓毒症的生物标志物[24]。此外,高SAA水平与肾细胞癌、肺癌、黑色素瘤、胃癌等癌症患者的总生存期缩短相关[25]。COPD是一种以呼吸道、肺实质和肺血管的慢性炎症为特征的疾病,常表现出循环细胞因子、趋化因子和急性期蛋白增加或表达异常。急性期反应物是目前研究最多的COPD相关的生物标志物之一,SAA在COPD患者中表现为普遍高水平状态[26-27]。有研究发现,SAA通过白细胞介素-17A依赖性机制促进中性粒细胞性炎症[28]。据报道,中性粒细胞,特别是3型先天淋巴细胞,与吸烟诱导的COPD相关肺气肿的发生发展有关[29]。有动物实验证实,在肺气肿模型Rag1-/-小鼠中,肺组织和痰液样本中SAA mRNA表达水平普遍升高,而单核细胞和树突状细胞是肺气肿诱导肺中SAA分泌的主要细胞来源[30]。该作用机制可以解释本研究中肺弥散功能异常患者FEV1Z-score评分、ppFEV1与SAA水平呈负相关性。

3.4本研究通过CPET评估,分析了COPD患者运动能力的直接衡量指标VO2peak与SAA水平的相关性。Farkhooy等[31]发现,在不同严重程度的COPD患者中,通过峰值负荷评估TLCO是患者运动能力的独立预测因子。这与本研究结果一致,本研究发现基于TLCO分层,肺弥散功能异常患者的VO2peak低于LLN,而且COPD患者的SAA水平与VO2peak呈负相关,SAA水平升高反映了老年COPD患者肺通气功能降低,而弥散功能异常组患者和弥散功能正常组患者之间的SAA水平差异也间接地说明了肺通气功能降低可能是肺弥散功能异常患者运动能力降低的主要原因,在一定程度上也解释了肺弥散功能与运动能力之间的潜在病理生理关系。

3.5本研究的优势是使用了PFT参数的Z-score,考虑了患者的性别、年龄和身高等差异,从而尽量避免了抽样误差。但本研究也有一定的局限性,缺少胸部CT进行影像学定性和定量确认肺功能、肺部病变(如肺气肿、支气管病变等)、血管面积等。另外,运动能力的评估可能会引入系统误差使结果产生偏倚。本研究只能测试指标之间的关联性,数据的性质不允许对观察结果背后涉及的病理生理机制进行因果推断或得出明确结论。因此,本研究支持的COPD表型分化的临床价值不能扩展到对个体患者提出具体治疗建议。

综上所述,在老年COPD患者中,SAA水平与FEV1Z-score有关,且这种相关性仅表现在弥散功能异常组患者中,检测SAA水平有助于鉴别老年COPD肺弥散功能异常表型。此外,SAA水平与VO2peak呈负相关,说明导致FEV1降低的机制可能有助于解释老年COPD肺弥散功能异常患者运动受限的原因,对未来研究潜在病理生理机制具有一定临床意义。