痰液生物標(biāo)志物在慢性阻塞性肺疾病診治中的研究進(jìn)展

馬青松，劉凌，趙芝煥

生物標(biāo)志物是一種能夠客觀測(cè)量和評(píng)價(jià)正常生物學(xué)過程、致病過程及對(duì)干預(yù)措施藥物學(xué)反應(yīng)的指標(biāo)［1］。慢性阻塞性肺疾?。–OPD）是一種復(fù)雜異質(zhì)性疾病，具有多種表型，近年來(lái)進(jìn)行了很多關(guān)于生物標(biāo)志物研究，如：鑒別COPD、哮喘、支氣管擴(kuò)張等疾病的診斷生物標(biāo)志物，識(shí)別具有頻繁急性加重表型COPD患者的預(yù)后生物標(biāo)志物，確定最有可能在特定干預(yù)或治療中獲益（或有害）COPD亞群的預(yù)測(cè)生物標(biāo)志物［2］。痰液主要來(lái)源于中央大氣道，含有這些部位的生化物質(zhì)。通過分析痰液生物標(biāo)志物與臨床指標(biāo)、各種評(píng)分量表的關(guān)系，提出新的輔助診斷、病情評(píng)估指標(biāo)及治療靶點(diǎn)，可在一定程度上指導(dǎo)臨床診療。但目前大多數(shù)生物標(biāo)志物尚停留于研究階段，并未在臨床上得到應(yīng)用。本文就痰液中生物標(biāo)志物在評(píng)估COPD氣道炎癥、輔助診斷、預(yù)測(cè)急性加重、指導(dǎo)治療等方面做一綜述，為未來(lái)更深入研究提供思路。

1 評(píng)估氣道炎癥

近年來(lái)部分研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者血清和痰液中某些生物標(biāo)志物相關(guān)性較差［3-4］。PROBOSZCZ等［5］學(xué)者的一項(xiàng)回顧性研究發(fā)現(xiàn)，在未使用糖皮質(zhì)激素的輕-中度COPD穩(wěn)定期患者中，痰液與血液中嗜酸粒細(xì)胞計(jì)數(shù)無(wú)相關(guān)性，外周血液嗜酸粒細(xì)胞不能反映痰液中嗜酸粒細(xì)胞。HASTIE等［6］的一項(xiàng)多中心觀察性研究，納入SPIROMICS隊(duì)列分析中2 737例患者，根據(jù)痰液和血液嗜酸粒細(xì)胞水平將患者分組，發(fā)現(xiàn)高水平痰液嗜酸粒細(xì)胞比高水平血液嗜酸粒細(xì)胞更能識(shí)別具有頻繁惡化、嚴(yán)重肺氣腫的重度COPD亞組，血液嗜酸粒細(xì)胞計(jì)數(shù)與痰液嗜酸粒細(xì)胞計(jì)數(shù)呈弱相關(guān)，存在較高假陽(yáng)性率（72%）。Nú?EZ等［7］納入133例患者，評(píng)估同一患者痰液和血清中各種炎性遞質(zhì)相關(guān)性，以及炎性遞質(zhì)與肺功能指標(biāo)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)COPD穩(wěn)定期患者肺部和全身炎癥之間無(wú)相關(guān)性，全身炎癥與肺功能變量之間亦無(wú)相關(guān)性，可能導(dǎo)致兩個(gè)部位炎癥致病機(jī)制不同。綜上，痰液較血液更好地反應(yīng)氣道炎癥，COPD全身炎癥與氣道炎癥之間的聯(lián)系尚不清楚，目前并未發(fā)現(xiàn)能解釋兩個(gè)部位炎癥聯(lián)系的標(biāo)志物及炎性通路，有待進(jìn)一步研究。

COPD患者痰液中以中性粒細(xì)胞為主，20%～40%嗜酸粒細(xì)胞增高［5，8］。GAO等［9］的一項(xiàng)前瞻性研究納入慢性阻塞性肺疾病急性加重期（AECOPD）患者83例，根據(jù)痰液中炎性細(xì)胞計(jì)數(shù)將其分為中性粒細(xì)胞型、嗜酸粒細(xì)胞型、混合粒細(xì)胞型、粒細(xì)胞缺乏型四個(gè)亞組，在14個(gè)月隨訪中，從急性加重期至穩(wěn)定期，痰液炎性細(xì)胞亞型分類具有穩(wěn)定性。表明AECOPD炎性反應(yīng)具有異質(zhì)性，這種亞型分類具有穩(wěn)定性，痰液中炎性細(xì)胞分布可以作為AECOPD分類有價(jià)值的生物標(biāo)志物。

2 輔助診斷和鑒別診斷

目前主要以吸入支氣管擴(kuò)張劑后第1秒用力呼氣末容積與用力肺活量百分比（FEV1/FVC）＜70%為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)診斷COPD。而隨年齡增長(zhǎng)，健康者肺功能指標(biāo)會(huì)有所下降，以上述標(biāo)準(zhǔn)來(lái)診斷COPD會(huì)導(dǎo)致年輕者診斷不足，年長(zhǎng)者診斷過度，故對(duì)于COPD診斷需要新手段或特異標(biāo)志物。WU等［10］研究納入5例COPD患者和5例健康者，評(píng)估外周血中性粒細(xì)胞對(duì)COPD患者痰上清液的趨化性，發(fā)現(xiàn)中性粒細(xì)胞對(duì)COPD患者痰上清液趨化性更高，且與COPD診斷標(biāo)準(zhǔn)（FEV1/FVC）有關(guān)，中性粒細(xì)胞趨化性可能具有作為COPD診斷生物標(biāo)志物的潛力。但該研究納入樣本量有限，需要更多大型臨床試驗(yàn)加以證實(shí)。

哮喘和COPD均是以氣流受限為特征的慢性氣道炎性疾病，有時(shí)在臨床上卻很難進(jìn)行鑒別。GHEBRE等［11］納入86例中重度哮喘和75例COPD患者，對(duì)二者痰液中18種細(xì)胞因子進(jìn)行聚類分析確定生物亞群，分為3類：（1）哮喘為主，具有嗜酸粒細(xì)胞炎癥和高Th2細(xì)胞因子濃度；（2）哮喘合并COPD，具有細(xì)菌定植引起中性粒細(xì)胞炎癥和高白介素（IL）-1β水平；（3）COPD為主，具有混合粒細(xì)胞炎癥和高IL-6水平。并在166例單純重度哮喘和85例單純COPD患者中進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證組和研究組相同亞群痰細(xì)胞、細(xì)胞因子分布相似。GóRSKA等［3］的一項(xiàng)前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，痰液嗜酸粒細(xì)胞和中性粒細(xì)胞百分比對(duì)于二者鑒別有較高準(zhǔn)確性〔ROC曲線下面積（AUC）分別為0.79、0.75〕，但均顯示中等或低靈敏度和特異度。根據(jù)痰液嗜酸粒細(xì)胞百分比、中性粒細(xì)胞百分比、IL-6、中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶（NE）、基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）-9水平和臨床指標(biāo)對(duì)患者進(jìn)行聚類分析，可分為單純哮喘、哮喘合并COPD聚類。BAI等［12］研究發(fā)現(xiàn)，通過檢測(cè)痰液中炎性細(xì)胞因子〔IL-5、IL-9、IL-13、IL-6、IL-1β、腫瘤壞死因子（TNF）-α〕、T淋巴細(xì)胞亞群（CD4/CD8）有助于鑒別哮喘和COPD。因此，基于單一細(xì)胞因子區(qū)分兩種疾病是有困難的，若能確定痰液炎性細(xì)胞、炎性因子譜的分布特點(diǎn)，提出更具體的亞群分類，將有助于鑒別二者，進(jìn)一步個(gè)性化治療。

3 判斷氣流受限的嚴(yán)重程度

COPD氣流受限嚴(yán)重程度評(píng)估主要依據(jù)臨床表現(xiàn)、肺功能及相關(guān)評(píng)分量表，易受評(píng)判者主觀性及患者文化程度、回憶偏倚、操作耐受性的影響，故需要易于檢測(cè)、客觀的指標(biāo)。一項(xiàng)納入218例穩(wěn)定期COPD患者的橫斷面研究，探索痰細(xì)胞類型與臨床癥狀的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)呼吸困難組患者痰液嗜酸粒細(xì)胞比例更高，而咳嗽組患者痰液中性粒細(xì)胞比例更高，嗜酸粒細(xì)胞對(duì)呼吸困難型COPD診斷率為83.1%，中性粒細(xì)胞對(duì)咳嗽型COPD診斷率為72.4%，表明痰液炎性細(xì)胞類型確實(shí)與COPD臨床表現(xiàn)不同類型相關(guān)［13］。近年研究指出，中性粒細(xì)胞表型意味著更嚴(yán)重氣道阻塞和肺氣腫［3］，嗜酸粒細(xì)胞表型與疾病惡化嚴(yán)重程度有關(guān)［14］，痰液嗜酸粒細(xì)胞陽(yáng)離子蛋白表達(dá)與COPD評(píng)估測(cè)試（CAT）的癥狀嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)［15］。CHOU等［16］的一項(xiàng)回顧性研究發(fā)現(xiàn)，吸入支氣管擴(kuò)張劑后FEV1增加0.4 L或15%可以預(yù)測(cè)痰液嗜酸粒細(xì)胞增多，二者存在相關(guān)性。因此，痰液炎性細(xì)胞學(xué)分類可以評(píng)估氣流受限嚴(yán)重程度，但痰液嗜酸粒細(xì)胞增多是否可以說明氣流受限具有可逆性，且各種炎性細(xì)胞增多的閾值尚不清楚，均需進(jìn)一步研究。

近年來(lái)發(fā)現(xiàn)一些能夠評(píng)估COPD氣流受限的生物標(biāo)志物。CAO等［17］研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者痰液中組織蛋白酶E（CatE）水平較高，且與第1秒用力呼氣末容積占預(yù)計(jì)值百分比（FEV1% pred）呈負(fù)相關(guān)，隨著慢性阻塞性肺疾病全球倡議（GOLD）肺功能分級(jí)增加（Ⅰ～Ⅳ級(jí)），CatE水平逐漸升高，表明痰CatE與氣流受限嚴(yán)重程度相關(guān)。KAWAMOTO等［18］指出痰戊糖素水平與FEV1% pred、FEV1/FVC呈負(fù)相關(guān)，而痰血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）水平則與之呈正相關(guān)；隨著肺氣腫嚴(yán)重程度的增加，痰戊糖素水平逐漸增加，痰VEGF水平逐漸下降，表明痰戊糖素、VEGF水平可用于評(píng)估氣流阻塞和肺氣腫嚴(yán)重程度。WELLS等［19］研究發(fā)現(xiàn)，痰液中乙酰基-脯氨酸-甘氨酸-脯氨酸（ACPGP）濃度與FEV1/FVC、GOLD分級(jí)、疾病嚴(yán)重惡化風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，高濃度痰A(chǔ)CPGP意味著距離首次嚴(yán)重惡化時(shí)間較短，表明COPD患者痰液中ACPGP濃度與氣流受限及疾病惡化風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。LAI等［20］研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者痰肝素結(jié)合表皮生長(zhǎng)因子（HB-EGF）水平與CAT評(píng)分呈正相關(guān)。綜上，痰液來(lái)源于氣道，通過分析各種生物標(biāo)志物與臨床指標(biāo)相關(guān)性，有助于探索新的病情評(píng)估指標(biāo)。

4 預(yù)測(cè)急性加重風(fēng)險(xiǎn)

目前COPD主要通過既往年急性加重次數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)急性加重風(fēng)險(xiǎn)，缺乏能夠檢測(cè)的指標(biāo)。ELTBOLI等［14］研究指出，痰液嗜酸粒細(xì)胞增多與COPD急性加重發(fā)作頻率呈正相關(guān)。FU等［21］研究發(fā)現(xiàn)，頻繁急性加重COPD患者痰液中IL-1β基因表達(dá)水平明顯升高，既往急性加重通過激活I(lǐng)L-1β全身炎性軸從而介導(dǎo)未來(lái)急性加重，IL-1β基因表達(dá)水平升高能預(yù)測(cè)未來(lái)1年頻繁急性加重，可能介導(dǎo)COPD既往和未來(lái)頻繁加重之間的惡性循環(huán)。BAINES等［22］研究在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索IL-1途徑生物標(biāo)志物基因表達(dá)與頻繁急性加重的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)IL-1通路遞質(zhì)〔包括信號(hào)分子白細(xì)胞介素1受體關(guān)聯(lián)激酶2（IRAK2）、白細(xì)胞介素1受體關(guān)聯(lián)激酶3（IRAK3）、PELI1蛋白和信號(hào)受體白細(xì)胞介素1受體1型（IL1R1）〕表達(dá)與未來(lái)加重次數(shù)和嚴(yán)重程度有關(guān)。意味著，痰液嗜酸粒細(xì)胞增多，IL-1β基因及IL-1通路遞質(zhì)表達(dá)水平增加，可能識(shí)別出具有頻繁急性加重表型的COPD患者。

AECOPD多由細(xì)菌、病毒感染所引起，探索相關(guān)易感性指標(biāo)，有助于預(yù)測(cè)COPD急性加重風(fēng)險(xiǎn)。病原體分子成分可被氣道中細(xì)胞表達(dá)分子模式識(shí)別受體（PRR）識(shí)別，從而引發(fā)炎癥過程［23］。KINOSE等［24］一項(xiàng)前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，有頻繁急性加重史患者痰液中性粒細(xì)胞百分比、Toll樣受體3（TLR3）基因表達(dá)增加，二者均與COPD急性加重相關(guān)；經(jīng)多元Logistic回歸分析后結(jié)果顯示，TLR3基因表達(dá)不能作為COPD急性加重獨(dú)立預(yù)測(cè)因子，但可能增加COPD惡化易感性。MALLIA等［25］研究發(fā)現(xiàn)，在COPD穩(wěn)定期和急性加重期痰液中葡萄糖濃度均增加，且后者升高明顯。痰液中葡萄糖濃度與炎性標(biāo)志物、病毒載量和細(xì)菌負(fù)荷之間存在顯著相關(guān)性。氣道葡萄糖濃度升高可能導(dǎo)致COPD對(duì)氣道感染易感性增加，這為開發(fā)預(yù)防和治療COPD細(xì)菌感染非抗生素策略提供重要依據(jù)。因此，無(wú)論從病原微生物、還是從COPD氣道環(huán)境角度出發(fā)，進(jìn)一步探索疾病惡化易感性因素，有助于預(yù)測(cè)急性加重風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)新的治療策略延緩疾病進(jìn)展。

5 指導(dǎo)治療

近年研究表明，通過痰細(xì)胞學(xué)分類確定氣道炎癥類型以便采取針對(duì)性治療。嗜酸粒細(xì)胞為主型可能對(duì)皮質(zhì)類固醇或Th2細(xì)胞因子（如：IL-4、IL-5、IL-13）治療有反應(yīng)，中性粒細(xì)胞為主型可能適用于抗生素或靶向中性粒細(xì)胞募集途徑治療，混合粒細(xì)胞為主型中Toll樣受體和IL-6家族細(xì)胞因子可能是潛在治療靶點(diǎn)，粒細(xì)胞缺乏型可能不需要抗感染治療［26］。HO等［27］研究指出，在觀察性和單中心對(duì)照試驗(yàn)中，基于痰細(xì)胞學(xué)分類治療優(yōu)于當(dāng)前基于指南的建議，可預(yù)防未來(lái)病情加重和住院治療，具有更好的預(yù)后和成本效益。在同一患者連續(xù)發(fā)作期間，氣道炎癥性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，每次急性加重通過痰細(xì)胞學(xué)分類重新評(píng)估氣道炎癥性質(zhì)，對(duì)于選擇合適治療方法有重要意義［28］。因此，結(jié)合痰細(xì)胞學(xué)分類可以一定程度指導(dǎo)治療。

激素是目前主要抗炎藥物，但在COPD患者中療效各異，了解與激素抵抗相關(guān)細(xì)胞和分子機(jī)制，尋找特異標(biāo)志物，識(shí)別對(duì)其抵抗患者，從而減少停藥或長(zhǎng)期用藥帶來(lái)的問題［29］，如吸入型糖皮質(zhì)激素（ICS）與小劑量茶堿聯(lián)合治療可減輕COPD氣道炎癥并逆轉(zhuǎn)糖皮質(zhì)激素抵抗，痰液中較低硫化氫水平能夠識(shí)別出從二者聯(lián)合治療中獲益最大患者［30］。目前已確定的激素抵抗機(jī)制包括皮質(zhì)類固醇受體磷酸化和修飾、組蛋白脫乙?；?活性表達(dá)缺失［31］。MILARA等［32］研究發(fā)現(xiàn)，黏蛋白胞質(zhì)尾（MUC1-CT）基因表達(dá)對(duì)于皮質(zhì)類固醇療效有調(diào)節(jié)作用。INUI等［33］研究發(fā)現(xiàn)，COPD患者吸入ICS不會(huì)影響痰CXC趨化因子配體（CXCL）1水平，卻影響痰CXCL8水平，體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，抗炎藥最小程度影響肺上皮細(xì)胞CXCL1產(chǎn)生，卻明顯抑制CXCL8產(chǎn)生。CXCL1介導(dǎo)中性粒細(xì)胞炎癥可能對(duì)激素及其他抗炎藥物作用不敏感。通過檢測(cè)COPD患者生物樣本中皮質(zhì)類固醇受體改變及組蛋白脫乙?；?、CXCL1的表達(dá)可能有望識(shí)別出對(duì)激素不敏感患者，同時(shí)針對(duì)激素抵抗或療效調(diào)節(jié)機(jī)制提出新的治療靶點(diǎn)，對(duì)于COPD的治療將會(huì)更進(jìn)一步。近年來(lái)，針對(duì)各種細(xì)胞因子的靶向治療亦進(jìn)行了相關(guān)研究（見表1）。

表1 COPD的生物制劑治療研究Table 1 Studies on the treatment of COPD with biological agents

綜上，COPD中性粒細(xì)胞炎癥生物制劑治療療效并不顯著，且可能出現(xiàn)粒細(xì)胞缺乏、感染、腫瘤等不良反應(yīng)，而嗜酸粒細(xì)胞炎癥生物制劑治療則可能降低急性發(fā)作頻率、改善肺功能，且未明顯增加不良反應(yīng)。對(duì)激素抵抗或逆轉(zhuǎn)抵抗的治療靶點(diǎn)可能是新的研究方向。

6 總結(jié)與展望

痰液是一種易獲取且能反應(yīng)氣道細(xì)胞和生化物質(zhì)成分水平的生物樣本，痰細(xì)胞學(xué)分類作為目前確定氣道炎癥表型的最佳方法，將COPD分為四種炎癥表型，以中性粒細(xì)胞型和嗜酸粒細(xì)胞型為主。通過痰液炎性細(xì)胞、炎性因子檢測(cè)，應(yīng)用聚類分析等方法提出更加具體亞群分類方法，能更好鑒別COPD和哮喘，有利于對(duì)二者重疊部分機(jī)制研究；進(jìn)一步分析痰液生物標(biāo)志物與各種臨床指標(biāo)、評(píng)分量表相關(guān)性，提出新的病情評(píng)估指標(biāo)。探索介導(dǎo)COPD頻繁急性發(fā)作炎癥通路，以及細(xì)菌、病毒易感性增加的生物標(biāo)志物，有望識(shí)別出具有頻繁急性加重表型患者，提出新的治療靶點(diǎn)。近年來(lái)，進(jìn)行了多項(xiàng)COPD中性粒細(xì)胞炎癥和嗜酸粒細(xì)胞炎癥生物制劑研究，但未應(yīng)用于臨床實(shí)踐，氣道局部炎癥與全身炎癥相關(guān)性尚不清楚，用藥安全性及療程均未得到證實(shí)，是否可通過氣道局部用藥獲得療效并減少全身不良反應(yīng)也未可知。缺乏各種生物標(biāo)志物在正常人群中的參考范圍。因此，以上均期待未來(lái)進(jìn)行更深入的研究以指導(dǎo)臨床干預(yù)和治療決策。

作者貢獻(xiàn)：馬青松進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì)，文章的可行性分析，文獻(xiàn)/資料收集、整理，撰寫論文；劉凌進(jìn)行論文的修訂，英文的修訂；趙芝煥負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，對(duì)文章整體負(fù)責(zé)，監(jiān)督管理。

本文無(wú)利益沖突。