慢性阻塞性肺疾病早期诊断相关标志物研究进展*

杜 颖 综述，杨明夏 审校

1.大连医科大学，辽宁大连 116000；2.南京医科大学附属常州市第二人民医院呼吸与危重症学科，江苏常州 213000

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种常见的、可防治的异质性疾病，以持续呼吸道症状和气流受限为主要表现，吸烟是疾病形成的重要危险因素，COPD已成为全世界的重要公共卫生挑战[1]。有研究表明，56.4%的COPD患者处于慢性阻塞性肺疾病全球倡议(GOLD)分期Ⅰ期，36.3%处于GOLD分期Ⅱ期，其中约有2/3无慢性呼吸道症状[2]。COPD早期阶段可能无临床症状，多数患者在出现咳嗽、气喘等明显症状后才引起重视。若未及早干预，患者容易出现慢性呼吸系统症状和严重肺功能障碍，并且增加急性加重住院和早期死亡的风险。因此，COPD的早期诊治十分必要。

1 早期COPD

早期COPD可分为两种亚型，即COPD前期和临床前COPD[3]。早期COPD在一般人群中的患病率为15%。MARTINEZ等[4]将早期COPD定义为年龄<50岁且吸烟≥10包/年，并且有以下任何一种异常:(1)第1秒用力呼气量/用力肺活量(FEV1/FVC)<正常下限;(2)兼容CT检查异常(气道异常和/或肺气肿);(3)FEV1下降(≥60 mL/年)。这个定义存在2个问题：一是早期COPD定义因COPD自身定义的疑点而复杂化。在2020年GOLD中仍以FEV1/FVC<0.7为金标准来诊断COPD，然而越来越多的证据表明此比值存在缺陷[5-6]。有研究显示，只有当肺组织损坏至少达30%时，肺功能检查才开始表现出异常[7]。此外，肺功能检查不能区分气流阻塞的原因(即小气道疾病或肺气肿)，也不能确定COPD的肺外表现。FEV1/FVC的固定值在老年人中可能出现过度诊断，在年轻人中可能出现漏诊等问题，这为定义所谓早期疾病带来了困难。二是COPD的异质性。COPD的形成与遗传和环境因素彼此作用的复杂过程相关，这些具有异质性的危险因素使早期COPD的诊断颇具挑战。轻中度强调严重程度，早期是指时间观念，二者在同一个体中可能同时发生但不等同。然而，目前临床上较难界定COPD的早期阶段，而其轻中度的诊治有据可循，故我国临床上多以轻中度COPD (GOLDⅠ～Ⅱ期)来指代COPD的早期阶段。

2 生物标志物

根据美国国立卫生研究院的最新使用标准，生物标志物是指一种作为正常生理过程、致病过程或干预治疗后的药理学反应指标，具有被客观测量和评估的特点[8]。在实践中，大多数人将生物标志物理解为一种测试或一系列测试，为疾病状态提供客观和可重复的指标。对于COPD这类常见疾病，生物标志物必须是安全、准确、廉价和易于测量的，是任何以临床特征、影像学图像量化或实验室结果为基础的标志物，是可以被客观测量作为个体患者疾病的独特病理生理过程的指标。

3 金标准以外的肺功能参数

肺容积受实质、气道和周围组织结构支持的影响。残气量(RV)是肺深呼气结束时的残余气量。RV轻度升高(>预测值120%)，RV/肺总量(TLC)升高(>35%)可以作为诊断小气道空气阻塞和肺气肿的标志。最近2项基于吸、呼气CT扫描的研究对肺功能进行了评估，结果显示，RV/TLC值与TLC正常的吸烟者FEV1/FVC的快速下降相关，并且可能最终发展为明显的COPD[9-10]。有研究表明，RV/TLC可用于早期COPD的诊断和评估[11]。用力呼气时呼出气量为肺活量25%～75%的平均流速、一氧化碳弥散量、肺总容积等对早期COPD也有潜在的诊断价值[12]。

4 影像标志物——肺定量CT

肺定量CT是一种广泛应用的无创影像学检查，通过严格的成像协定，如空间和时间分辨率、吸气和呼气技术、扫描仪校准和辐射照射等参数，使CT测量的重复性得到最大化[13]。COPD早期在临床症状出现之前可能已存在肺结构的病理变化。2012年1项系统分析发现，肺气肿和小气道的量化标志物均与COPD的气流阻塞有关[14]。由此可见，肺定量CT与肺活量测定值密切相关且明显，从而可以通过肺分割在肺部图像上量化肺气肿、气道壁厚和空气潴留指标来早期检测和诊断COPD[15]。

肺气肿量化(EQ)常以肺气肿指数(%LAA-950)表示，%LAA-950与FEV1、FEV1占预计值百分比及FEV1/FVC均呈明显负相关[16]。在此基础上，肺气肿量化显示了COPD早期诊断的潜力。人工测量存在一定的误差和变异，而人工智能可以减少时间和可变性,是目前的一个新兴领域。FISCHER等[17]的1项回顾性研究证实，基于人工智能的每叶分割和肺气肿量化(EQ)与GOLD严重程度分期呈明显相关，其中肺上叶EQ与GOLD分期，特别是与GOLD早期之间的关系最为明显。因此，进一步分析肺功能参数及各肺叶定量CT与COPD患者临床症状的相关性很有意义。

小气道病变量化指标包括：支气管壁厚、壁面积百分比及管腔周长10 mm的理论气道壁面积的平方根(Pi10)等。KOO等[18]通过应用一种新的多分辨率CT成像方案表明，在肺气肿发生之前，轻中度COPD患者肺内最小气道(终末细支气管和呼吸性过度细支气管)明显消失，由此提示小气道疾病是轻中度COPD的早期病理特征。Pi10可以作为非肺气肿性COPD存在和严重程度的独立标志，戒烟可以使Pi10明显下降[19]。在1项COPD急性加重期和呼吸道感染研究中[20]，%LAA-950与平均肺密度呼气/吸气之间呈明显正相关，%LAA-950与Pi10之间也存在反向关系。

参数响应映射(PRM)是一种新技术，它可以识别肺气肿区域(PRMemph)和小气道疾病(PRMfSAD)。1项5年的COPD遗传流行病学研究显示,在GOLD Ⅰ～Ⅳ期患者中，PRMfSAD与PRMemph均与FEV1下降率相关[21]。此外，与GOLD Ⅲ～Ⅳ期比较，GOLDⅠ～Ⅱ患者的PRMfSAD对FEV1下降比率的贡献更为明显。由此提示，PRMfSAD可能是早期COPD的重要指标。

总之，CT所提供的数据可能导致对轻度COPD严重程度进行早期分级，这是常规肺功能无法检测到的[22]。肺定量CT对COPD早期成像过程目前尚不清楚，毕竟肺气肿进展缓慢，而且关于气道重建的纵向数据仍然非常有限。在COPD纵向监测过程中，小化CT的辐射暴露及研究CT对COPD潜在的临床价值有待进一步探讨。

5 体液标志物

血液生物标志物相对来说是无创的，具有易于获取和分析重复性的优点，故而在临床研究中最常采用。

近年来，自身免疫机制在COPD中得到广泛关注。与健康对照组比较，COPD患者体液中含有更高的自身抗体滴度，并且与COPD严重程度，尤其是GOLD Ⅲ～Ⅳ期相关密切[23]，这对早期COPD的诊断可能存在一定价值，然而目前的相关研究大都未将健康对照组和GOLDⅠ～Ⅱ期完全区分开来。ZINELLU等[24]研究证实，血浆中犬尿氨酸(Kyn)水平升高被看为是免疫系统激活的标志，COPD患者的血浆Kyn水平和Kyn/色氨酸(Trp)与COPD严重程度相关。因此，Kyn特别是Kyn/Trp可能成为COPD患者系统性炎症的1项新的、敏感的生物标志物，但GOLD Ⅲ～Ⅳ期患者未纳入此研究内。

组织蛋白酶S主要由活化的巨噬细胞和树突状细胞产生，是一种有效的弹性降解蛋白酶。NAKAJIMA等[25]通过对125例COPD患者和118例健康者进行组织蛋白酶S和胱抑素C的血浆水平测定，结果显示，与严重气流受限和肺气肿患者比较，中度过敏性鼻炎患者(有慢性呼吸道症状，但无气流受限)和轻度COPD患者的血浆组织蛋白酶S水平明显升高。由此表明组织蛋白酶S和组织蛋白酶S/胱抑素C可能是COPD(尤其是早期)的潜在标志物。

中国最近1项前瞻性研究表明，炎症标志物，包括外周血白细胞介素-6、超敏C反应蛋白、microRNA-23a与非COPD患者FEV1的快速下降有关[26]。此外，血清生物标志物分析结果显示，CC16分泌蛋白、可溶性晚期糖基化终末产物受体和纤维蛋白原均与FEV1下降相关[27]。

GHIO等[28]在1项评价COPD纵向识别预测代理终点研究中测量非吸烟者、吸烟者和COPD患者的呼出气冷凝液(EBC)标本中的金属水平，数据显示，COPD患者铁水平均明显低于吸烟健康对照组。虽然吸烟对EBC铁水平的影响在以往的研究中各不相同，但COPD的诊断与较低的EBC铁水平相关。

HALPER-STROMBERG等[29]对115例队列受试者的肺泡灌洗液(BALF)和匹配血浆进行非靶向液相色谱-质谱分析，其中只有两种血浆化合物与COPD表型(肺气肿)相关。与血浆比较，BALF中的代谢物和COPD表型之间的关联更明显。因此，BALF分析可能揭示呼吸疾病的特异性标志物，但是该方法的侵入性、缺乏标准的解读是其主要缺点。

随着组学技术的蓬勃发展，研究者们对各种标本(血液、痰液、BALF、肺组织、尿液、EBC等)进行蛋白质组学、代谢组学、脂质体组学和转录组学分析，其中定量蛋白质组学和代谢组学研究对有复杂生物标志物特征的COPD的鉴别诊断有明显贡献[30]。例如，乙酰糖蛋白(GlycA)是一种Ⅰ型急性期蛋白，与组织损伤和炎症有关。GlycA水平是COPD的早期生物标志物[31]，其与COPD的发病率相关，即便是调整了吸烟因素也是如此。TITZ等[32]通过定量蛋白质组学在COPD和无症状吸烟者中鉴定出13种不同的蛋白，而且蛋白质组学对肺和气道重塑严重程度的评估均有意义。目前，TRUEDSSON等[33]正在对早期COPD患者的相关蛋白质组学标志物进行1项纵向研究，并与健康对照组比较。

SANDRA等[34]进一步对COPD患者DNA甲基化的不同甲基化位置(DMPs)进行再现性评估，与健康未吸烟者比较，GOLDⅢ～Ⅳ期和GOLDⅠ～Ⅱ期的患者只共享10%的DMPs。具体来说，在GOLDⅠ～Ⅱ期中DMPs与蛋白降解的调节有关，而在GOLDⅢ～Ⅳ期中则与调控蛋白磷酸化、细胞凋亡和免疫应答有关。为了测试代谢和转录组学代谢物与COPD的关系，CRUICKSHANK-QUINN等[35]研究发现，随着GOLD分级升高，DMPs也有明显变化。对轻中度COPD患者进行蛋白质组学分析显示，炎症、凝血、补体途径、氧化应激和脂质代谢相关蛋白可能是早期检测COPD的潜在生物标志物[36]。上述结果表明，组学技术有助于确定动物干预研究的分子靶点和人类早期干预标志物，这些进展可以为COPD的早期诊断提供重要参考，并帮助进一步探索疾病的异质性和潜在机制。

6 诊断相关标志物的挑战与展望

与早期COPD诊断相关的标志物的研究从实验到临床都必须通过严格筛查。虽然血液、影像学方面的标志物最常被研究，但由于没有标准化而未被临床认可，因为这些标志物的意义及其与灵敏度和特异度的关系仍然存在一定争议，其测定还需要大量研究加以验证。此外，还需要考虑临床实际中生物标志物收集、吸烟习惯和治疗等问题。在早期COPD发展过程中，血液标志物一般不会孤立增加，而是在特定的网络中相互关联。观察COPD进展最有希望的生物标志物涉及标志物的组合，当它们组合使用时，比任何单项标志物提供的信息更多。振荡测量技术目前也在实验研究中为早期COPD的诊断提供参考和策略。近几年，组学相关研究层出不穷，分析与肺功能相关的miRNA是评估COPD的一种很有前途的策略，有助于进一步阐明COPD的发病机制。各类组学检测技术包括：蛋白质组学研究应用各种凝胶和无凝胶技术，并依赖于质谱分析；核磁共振和质谱分析等光谱技术与气相液相色谱等分离模块相结合，已成为代谢组学研究的流行工具；转录组分析采用实时荧光定量聚合酶链反应和基因芯片测定，标志物参考值的标准化将更接近应用各项技术识别早期疾病。

临床诊疗过程中强调个体化，早期诊断标志物的研发有助于及早临床干预，并加大药物研发进度。另外，由于COPD的发生和发展复杂多样，标志物组合应用可能是未来COPD早期诊断的聚焦。因此，早发现、早诊断，建立COPD标准化预警模型，进而早治疗，对提高COPD患者的生活质量和改善预后尤为关键。