徐萍 霍建民 聶宜婷

作者單位：150001 黑龍江 哈爾濱，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科

CAP病情研究的最新進展揭示了系統(tǒng)生物學(xué)的重要性，系統(tǒng)生物學(xué)旨在通過計算工具及高通量技術(shù)來提供生物過程的全系統(tǒng)視圖，包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等。從整體角度整合生物系統(tǒng)諸多聯(lián)系來研究復(fù)雜生物過程的機制有利于發(fā)現(xiàn)CAP病情相關(guān)的標(biāo)志物，其未來價值不容忽視。社區(qū)獲得性肺炎(community-acquired pneumonia，CAP)是感染性死亡的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，其住院患者及重癥監(jiān)護病房患者死亡率分別為5%～10%、25%～30%[1]。為了能夠降低患者死亡風(fēng)險，臨床醫(yī)生需要選擇合適的預(yù)測工具評價病情，以便于提高患者治愈機率，尋找能夠準(zhǔn)確預(yù)測CAP病情的指標(biāo)是迫切的需要。系統(tǒng)生物學(xué)是21世紀(jì)預(yù)測肺部疾病的重要手段，在運用系統(tǒng)思維了解疾病機制過程中，部分標(biāo)志物已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)對CAP病情評估的價值。因此，本文主要就當(dāng)前病情評估現(xiàn)狀及系統(tǒng)生物學(xué)在發(fā)現(xiàn)相關(guān)標(biāo)志物中的應(yīng)用進行綜述，揭示CAP病情評估的最新進展。

病情評估現(xiàn)狀

一、評分系統(tǒng)

CURB-65評分系統(tǒng)及肺炎嚴(yán)重程度(PSI)評分系統(tǒng)是較為經(jīng)典的評分系統(tǒng)，也是當(dāng)前廣泛認可的評分系統(tǒng)[2]。常被用于驗證新系統(tǒng)或改良系統(tǒng)的實驗標(biāo)準(zhǔn)，也常被用于評估CAP患者病情嚴(yán)重程度及預(yù)后，但仍存在對CAP患者的病情評估缺乏靈敏度與特異度，評估超高齡CAP患者性能不佳[3]等問題。

當(dāng)前評分系統(tǒng)的研究主要通過改良評分系統(tǒng)的內(nèi)容或研究范圍、推出新模型及聯(lián)合生物標(biāo)志物來提高對病情評分系統(tǒng)的能力。其中改良評分內(nèi)容的代表評分是Expanded CURB-65評分及Expanded A-DROP評分，雖然在原有CURB-65評分及A-DROP評分基礎(chǔ)上提高了評分的性能，但增加了評分參數(shù)，使得評分計算復(fù)雜。改良評分范圍的代表評分是序貫器官衰竭評分(SOFA)和快速序貫器官衰竭評分(qSOFA)，急性生理和慢性健康狀態(tài)評分(APACHE評分系統(tǒng))，國家早期預(yù)警評分系統(tǒng)(NEWS評分系統(tǒng))等危重癥評分，具有快速，有效，數(shù)據(jù)易于得到的特點。Kim等[4]比較了各種評分系統(tǒng)對CAP患者28天死亡率的預(yù)測價值，PSI評分系統(tǒng)、IDSA/ATS評分系統(tǒng)、CURB-65評分系統(tǒng)、APCHEII評分系統(tǒng)、SOFA評分系統(tǒng)、qSOFA評分系統(tǒng)死亡風(fēng)險曲線下面積(AUC)分別為0.86、0.87、0.77、0.85、0.83、0.81，由此可見，危重癥評分系統(tǒng)性能提高并不明顯。為了提高對CAP患者的病情評估能力，某些具有特異性的新模型應(yīng)運而生，如FluA-P評分是最新開發(fā)的評分系統(tǒng)，包含血尿素氮>7 mmol / L、PO2/FiO2≤250mmHg、心血管疾病、動脈血PH<7.35、淋巴細胞計數(shù)<0.8×109/L、早期神經(jīng)氨酸酶抑制劑治療 7項指標(biāo)，在診斷流感相關(guān)性肺炎具有重要意義[5]；通過前瞻性實驗推出的SMART-COP評分系統(tǒng)對識別需要給予呼吸、循環(huán)支持的患者具有出色的辨別力[6]等。聯(lián)合生物標(biāo)志物可以提高評分的評估能力，研究表明，CURB-65評分或PSI評分聯(lián)合降鈣素原(PCT)后的評估能力更高[7-8]。

二、臨床標(biāo)志物

PCT、C-反應(yīng)蛋白(CRP)、紅細胞分布寬度(RDW)、中性粒細胞與淋巴細胞之比(NLR)、N端腦鈉肽前體(NT-proBNP)、D-二聚體(D-dimer)等是與病情進展相關(guān)的臨床標(biāo)志物，其優(yōu)勢在于簡單、便捷。最新研究顯示，除PCT外，CRP、RDW、NLR、NT-proBNP、D-dimer已被證實與新型冠狀病毒性肺炎(COVID-19)病情嚴(yán)重程度及預(yù)后相關(guān)[9-11]。通過比較各標(biāo)志物的短期預(yù)測能力發(fā)現(xiàn)，NLR 是較為有前途的標(biāo)志物，也是當(dāng)前研究的熱點。RDW、PSI評分、CURB-65評分預(yù)測CAP患者30天的死亡風(fēng)險AUC分別為0.673、0.846、0.817[12]；NLR、PCT、CRP預(yù)測CAP患者30天的死亡風(fēng)險AUC分別為0.76、0.7、0.7[13]；PSI評分(AUC 0.739)、NT-proBNP(AUC 0.735)預(yù)測CAP患者30天死亡風(fēng)險能力相當(dāng)，而CURB-65評分(AUC 0.659)較差[14]；D-dimer預(yù)測CAP患者30天死亡風(fēng)險方面AUC為0.880，優(yōu)于PCT、超敏C-反應(yīng)蛋白(hs-CRP)[15]。

三、最新標(biāo)志物

冷誘導(dǎo)RNA結(jié)合蛋白(CIRP)是一種與損傷相關(guān)的應(yīng)激性蛋白。其引起肺損傷機制尚不清楚，在敗血癥期間，CIRP水平升高的同時，表達細胞間黏附分子-1(ICAM-1)的中性粒細胞水平也在上調(diào)，這可能是引起肺部損傷的原因之一[16]。此外，CIRP可以通過誘導(dǎo)肺部內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及下游的反應(yīng)引起敗血癥相關(guān)的急性肺損傷。最近研究者發(fā)現(xiàn)CIRP≥3.5ng/mL是重度CAP最佳的臨界值(靈敏度61.4%、特異度88.9%)，在判斷患者是否需要重癥監(jiān)護時有重要作用[17]。CIRP還與PCT、白介素-6(IL-6)、CRP的水平以及SOFA評分、PSI評分存在顯著相關(guān)性，因此CIRP可能是一種用以監(jiān)測宿主反應(yīng)及預(yù)測病情的新型標(biāo)志物。

前顆粒蛋白(PGRN)是由593個氨基酸殘基組成的生長因子，廣泛參與早期胚胎發(fā)育、傷口愈合、腫瘤進展、宿主防御和免疫調(diào)節(jié)等各個方面，在急性肺損傷中起抗炎作用。PGRN缺陷會導(dǎo)致細菌生長及傳播增加，并伴有肺損傷及死亡風(fēng)險的增加。在無論是革蘭氏陰性(G-)菌還是革蘭氏陽性(G+)菌引起的CAP小鼠體內(nèi)均可發(fā)現(xiàn)PGRN水平升高，在真菌感染后的小鼠上皮也發(fā)現(xiàn)了PGRN的mRNA和蛋白高表達。PGRN是CAP患者30天死亡風(fēng)險(AUC為0.862)獨立預(yù)測因子，與CURB-65評分、PSI評分結(jié)合顯著提高了預(yù)測性能[18]。

系統(tǒng)生物學(xué)在發(fā)現(xiàn)CAP相關(guān)標(biāo)志物中的應(yīng)用

一、代謝組學(xué)與CAP病情評估

代謝組學(xué)作為表型分析工具，能夠?qū)ι飳W(xué)標(biāo)本中代謝物進行全面分析，包括肽、寡核苷酸、糖、核苷、有機酸、酮、醛、胺、氨基酸、脂質(zhì)、類固醇、生物堿和小分子物質(zhì)。隨著研究技術(shù)的發(fā)展，人類代謝組數(shù)據(jù)庫已經(jīng)研究出40000多種代謝物[19]。通過質(zhì)子核磁共振波譜、色譜-質(zhì)譜、串聯(lián)質(zhì)譜法等技術(shù)對生物系統(tǒng)的高通量代謝分析，許多標(biāo)志物已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)與CAP嚴(yán)重程度及預(yù)后相關(guān)，特別是在脂質(zhì)代謝的過程中。例如，一項檢測119名CAP患者和59名健康患者血清代謝物的試驗中，采用非靶向超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法在CAP患者體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了與肌醇磷酸代謝、精氨酸與脯氨酸代謝、鞘脂代謝、丙酮酸代謝相關(guān)的十五種代謝物顯著失調(diào)，其中血乳酸、鞘氨醇水平與CURB-65評分、PSI評分、APACHEII評分呈正相關(guān)，硫酸脫氫表雄酮與三個評分呈負相關(guān)[20]；Pierre 等[21]通過從CAP患者尿液中提取了87種代謝物，發(fā)現(xiàn)了與流感組及健康組相比，細菌感染組的甲基腺苷、尿苷、2-脫氫-d-葡萄糖酸水平升高，對預(yù)測不同病原體CAP具有重要意義；Hsueh 等[22]對肺炎旁胸腔積液患者進行代謝組學(xué)分析揭示了二肽在中性粒細胞中產(chǎn)生白介素-8(IL-8)的調(diào)控作用；在青年CAP患者的227種血清代謝物檢測中發(fā)現(xiàn)，2-羥基丁酸、甲基半胱氨酸、L-丙氨酸改變與病情嚴(yán)重程度相關(guān)[23]等。血乳酸的檢測方式最為簡單，也是研究較多的標(biāo)志物，在肺部感染期間，無氧酵解會增加血清乳酸的含量。因而，血乳酸常被用于敗血癥的病情評估，當(dāng)血乳酸>1.8mmol/L時，提示CAP患者需要呼吸、循環(huán)支持。研究表明，乳酸聯(lián)合SOFA評分或qSOFA評分、NEWS評分優(yōu)于CURB-65評分、PSI評分的CAP病情評估能力[24-25]。

二、基因組學(xué)與CAP病情評估

基因組學(xué)主要是對機體所有基因進行集體表征及定量研究。隨著二代測序及基因芯片技術(shù)的應(yīng)用，將DNA序列變異與疾病聯(lián)系的研究已經(jīng)擴展到全外顯子組和全基因組測序的范圍[26]。這種高效益的技術(shù)，使得基因組學(xué)研究的樣本量超過了所有其他組學(xué)方法，在揭示CAP個體易感性及病情嚴(yán)重性中具有重要意義。高遷移率族蛋白B1(HMGB1)是體內(nèi)重要的晚期炎癥介質(zhì)，在患金黃色葡萄球菌肺炎小鼠中發(fā)現(xiàn)HMGB1與肺損傷有關(guān)，Lu 等[27]在前瞻性試驗中得出HMGB1是CAP短期死亡的獨立預(yù)測因素。近年來，基因組學(xué)的研究逐漸增多，Qiu 等[28]發(fā)現(xiàn)在中國漢族人群中HMGB1的基因rs1045411、rs1360485和rs2249825位點的單核苷酸多態(tài)性與敗血癥預(yù)后嚴(yán)重性相關(guān)。Song 等[29]發(fā)現(xiàn)HMGB1的基因rs1412125和rs2249825位點的單核苷酸多態(tài)性與CAP嚴(yán)重性相關(guān)。干擾素調(diào)節(jié)因子5(IRF5)作為轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)炎癥過程及免疫反應(yīng)中起重要作用，在金黃色葡萄球菌鼠肺炎的模型中，含有(NOD)2-IRF5通路的核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域的變化是導(dǎo)致肺炎加重和死亡的主要因素。IRF5基因rs77571059位點的多態(tài)性與CAP嚴(yán)重程度及敏感性相關(guān)，rs2004640基因多態(tài)性與CAP敏感度相關(guān)[30]。

三、轉(zhuǎn)錄組學(xué)與CAP病情評估

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是在RNA水平上研究基因轉(zhuǎn)錄的學(xué)科。在肺疾病轉(zhuǎn)錄研究中，RNA通常從血液、肺和氣道組織、痰、支氣管肺泡或鼻腔灌洗液中提取。通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)RNA基因測序，可以明確標(biāo)志物致病的機制。例如，在一項研究COVID-19患者轉(zhuǎn)錄組分析中發(fā)現(xiàn)淋巴細胞減少，可能是由于淋巴細胞凋亡和P53信號通路的激活引起的，COVID-19發(fā)病機理與趨化因子CCL2(CCL2)/單核細胞趨化蛋白1(MCP-1)、趨化因子配體10(CXCL10)/干擾素誘導(dǎo)蛋白10(IP-10)、趨化因子CCL3(CCL3)/巨噬細胞炎性蛋白1A(MIP-1A)和趨化因子CCL4(CCL4)/巨噬細胞炎性蛋白1B(MIP1B)等細胞因子過度釋放有關(guān)[31]。當(dāng)前已經(jīng)明確淋巴細胞計數(shù)是未使用免疫抑制劑的住院CAP患者死亡的獨立危險因素，COVID-19患者的病情嚴(yán)重程度及預(yù)后與機體的免疫狀態(tài)以及過度炎癥有關(guān)，由此可見，研究轉(zhuǎn)錄組學(xué)在了解CAP病情相關(guān)標(biāo)志物致病機制上有重要意義。

四、蛋白質(zhì)組學(xué)與CAP病情評估

蛋白質(zhì)組學(xué)涉及定量鑒定蛋白質(zhì)含量技術(shù)的應(yīng)用，它補充了其他組學(xué)技術(shù)，例如基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)，以闡明生物體蛋白質(zhì)的身份，并認識特定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，質(zhì)譜儀是當(dāng)前蛋白質(zhì)組學(xué)的中心。由于高成本的設(shè)備及數(shù)據(jù)庫要求，目前基于CAP蛋白組學(xué)相關(guān)標(biāo)志物的研究受限，主要集中在血液中的蛋白分析而對于體液中的蛋白質(zhì)分析研究較少。例如，肌紅蛋白(MB)、D-多巴色素變位酶重組蛋白(DDT)可以預(yù)測COVID-19病情加重；人類白細胞抗原A(HLA)提示COVID-19患者預(yù)后較好；免疫球蛋白G結(jié)構(gòu)域1型蛋白(CLM-1)、白介素-12受體B1亞型(IL-12RB1)、CD83、胰島素樣生長因子1受體(IGF1R)、旋光蛋白(OPTC)、重組人序列相似性家族3B(FAM3B)，六種蛋白可以準(zhǔn)確預(yù)測重癥監(jiān)護病房中COVID-19的預(yù)后結(jié)局等。一項鑒定了COVID-19患者肺組織的4218種蛋白質(zhì)的研究中，與健康的對照組相比有641種蛋白質(zhì)在肺中具有差異性表達，揭示了與肺損傷相關(guān)機制，而大多數(shù)差異表達的蛋白質(zhì)都在細胞核，這表明這些蛋白可能與病毒感染誘導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄有關(guān)[32]。與蛋白質(zhì)組學(xué)的高成本相比，其高通量優(yōu)勢突出，而如何降低成本的蛋白質(zhì)組學(xué)實驗設(shè)計會是研究CAP需要克服的難題。

小結(jié)及展望

在CAP病情評估的進展中，系統(tǒng)生物學(xué)為認識疾病機制及發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物降低了難度，其價值在于經(jīng)過對復(fù)雜的組件過程的綜合計算分析，能夠增強對疾病預(yù)測能力。值得關(guān)注的是，目前的研究視野已經(jīng)從高通量的單一組學(xué)轉(zhuǎn)向多組學(xué)的聯(lián)合應(yīng)用，正如基因組學(xué)與其他組學(xué)的結(jié)合那樣，系統(tǒng)研究基因、RNA、蛋白質(zhì)、小分子的之間的相互作用，能夠更加全面解析復(fù)雜多樣的疾病發(fā)生、發(fā)展過程，以便于掌握更多的病情預(yù)后相關(guān)的標(biāo)志物。雖然我們目前對這些標(biāo)志物的認識還不夠成熟，但尋找新型標(biāo)志物是必經(jīng)之路，而新型標(biāo)志物的出現(xiàn)有望成為CAP病情評估的新選擇。