COPD加重期住院患者的全身细胞因子、临床和生理改变

Victor M. Pinto-Plata, MD, FCCP; Guy Livnat, MD; Mirle Girish, MD, FCCP; Howard Cabral, PhD; Phil Masdin, PhD; Paul Linacre, BSc (Hons); Rick Dew, PhD; Lawrence Kenney, MD, FCCP; and Bartolome R. Celli, MD, FCCP

From the Division of Pulmonary and Critical Care Medicine (Drs. Pinto-Plata, Livnat, Girish, Dew, Kenney, and Celli), St Elizabeth's Medical Center, Tufts University School of Medicine, Boston, MA; Boston University School of Public Health (Dr. Cabral), Boston, MA; and Respiratory and Human Biomarkers Centers (Dr. Masdin and Mr. Linacre), GlaxoSmithKline, Stevenage-Ware, UK.

This research was supported by an unrestricted grants from GlaxoSmithKline, Thoracic Overholt Foundation.

Correspondence to: Bartolome R. Celli, MD, FCCP, St. Elizabeth's Medical Center, 736 Cambridge St, Boston, MA 02135; e-mail: bcelli@copdnet.org

背景 加重期COPD患者的全身炎症可能恶化,但关于加重期全身炎性因子水平与症状和生理变化的关系迄今则知之甚少。

方法 本研究共纳入20例COPD加重(ECOPD)住院患者。分别在患者入院时、其后48h(中期)和出院后8wk(恢复期),应用视觉模拟量表(VAS)定量评估呼吸困难,并测定肺功能、血象以及血浆白介素 (IL)-6、IL-8、白三烯B4 (LTB4)、肿瘤坏死因子(TNF)-a和分泌型白细胞蛋白酶抑制剂(SLPI)等全身细胞因子的水平。

结果 患者均有呼吸困难。深吸气量(IC)的改善快于FEV 1。与恢复期相比,入院时血浆IL-6[分别为(6.38±0.72)对(2.80±0.79)pg/mL, P=0.0001]、IL-8[分别为(8.18±0.85)对(3.72±0.85)pg/ mL,P=0.002]和LTB4[分别为(8675±1652)对(2534±1813)pg/mL, P=0.003]等水平以及外周血分叶核中性粒细胞(分别为79%对69%, P<0.02)和杆状核中性粒细胞(分别为7.3%对1.0%, P<0.01)的百分比均显著增高,而TNF-a和SLPI无变化。IL-6( r=0.61,P=0.01)和IL-8(r=0.56, P=0.04)的变化与呼吸困难的变化显著相关,IL-6( r=-0.51,P=0.04)和TNF-a(r=-0.71, P<0.02)水平与FEV1的变化相关。

结论 ECOPD住院患者的全身细胞因子水平变化显著,这些变化与症状和肺功能相关。ECOPD不仅使气流阻塞进一步加重,而且在有限的通气储备条件下通气需求进一步增加。

关键词 慢性阻塞性肺病(chronic obstructive ling disease);细胞因子(cytokines);呼吸困难(dyspnea);急性加重(acute exacerbation)

缩略语 CRP=C-reactive protein;ECOPD=exacerbation of COPD;IC=inspiratory capacity;IL=interleukin;LTB4=leukotriene B4;SLPI=secretory leukocyte protease inhibitor;TNF=tumor necrosis factor;VAS=visual analog scale

COPD以肺部对有害微粒的异常炎症反应为特点[1] 。研究[2~7]表明COPD存在全身炎症反应,表现为氧化应激增强,循环中中性粒细胞和淋巴细胞被激活,血浆中的肿瘤坏死因子 (TNF) -a及其受体、白介素 (IL) -6、IL-8、内皮素-1和C-反应蛋白 (CRP) 等水平以及循环中中性粒细胞的黏附分子和G蛋白表达均增高。

COPD加重 (ECOPD) 期间,痰中IL-6、IL-8、TNF-a、髓过氧化物酶、中性粒细胞弹性蛋白酶和 白三烯B4 (LTB4) 等水平的变化,提示存在炎症爆发[8~10],呼出气冷凝液中也有类似改变 [11]。但关于ECOPD全身炎症反应的资料甚少[5,7,12,13] ,包括反映全身炎症反应的外周血白细胞计数和血浆细胞因子水平。此外,ECOPD期间所发生的呼吸、代谢和生理改变也才刚刚被认识 [14,15],它们与全身细胞因子改变的关系还缺乏相关研究。

我们假设COPD患者呼吸储备有限,而全身炎症反应使通气的需求增加,一旦通气的需求得不到满足,则引发加重期特有的呼吸困难加重。通过检测外周血白细胞和血浆细胞因子水平可以识别全身炎症反应。为了验证这一假设,我们对ECOPD住院病人进行了前瞻性研究。

材料和方法

我们研究了连续入住Caritas St. Elizabeth医院的20例ECOPD患者。研究方案通过了医院机构审查委员会的批准,所有受试者均签署了知情同意书。若病人符合如下3个症状中的至少2个则诊断为ECOPD[16]:呼吸困难加重,痰量增加和 (或) 颜色改变以及新增咳嗽或咳嗽加重。所有病人亦符合COPD的诊断标准:吸烟史 (> 20包-y)、FEV1 / FVC < 0.7和FEV1 < 70%预计值。本研究仅纳入符合美国胸科学会 / 欧洲呼吸病学会住院标准[17]的病人 (Ⅱ级,入住内科病房而不需要入住ICU)。排除标准如下:目前吸烟者、胸片可见浸润影、其他 脏器感染、心力衰竭、心肌梗死、肺栓塞、哮喘或需要机械通气支持者 [17]。治疗包括吸入b-受体激动剂和抗胆碱能药物;静脉甲泼尼龙 (60mg,每8 ~ 12h 1次,持续2 ~ 3d),然后口服泼尼松2wk;静脉使用抗生素3d然后口服10d。

临床指标

我们记录了合并症、病史、基础肺功能和用药情况。鼓励病人咳痰,收集痰标本行革兰染色 和培养。采用视觉模拟量表 (VAS) 定量评估呼吸困难程度。该量表为一10cm刻度的直线,“0”刻 度表示“无呼吸困难”,“10cm”刻度代表“极度呼吸困难”。此外还记录了咽痛、乏力、发热 和喘息等症状,以及脉搏、呼吸频率、体温、体重、动脉血气水平、血氧饱和度、氧气情况、 辅助呼吸肌、肺部听诊、左室奔马律、颈静脉怒张和肢体水肿等。常规实验室检查包括全血细胞计数 和分类。应用肺量计(Vmax 29;SensorMedics;Yorba Linda,CA) 测定FEV1、FVC和深吸气量 (IC),测定方法参照美国胸科学会的建议[18] 。在病人基线状态稳定时进行IC测定 (即至少3次呼吸达到稳定的呼气末肺容积)。测定3次,取最佳值。

细胞因子检测

抽取血标本置于肝素抗凝试管,存放在冰块中。抽血1h内以2 000r / min离心10min。分离血浆并分为若干份于-80篊冻存。标本检测在 Ware, UK进行,实验人员完全不了解患者的临床情况。细胞因子的选择是基于ECOPD患者BALF和 痰标本的研究。IL-6和IL-8水平采用超敏酶联免疫吸附法进行检测 (Biosource;Nivelles,Belgium),TNF-a和分泌型白细胞蛋白酶抑制剂 (SLPI) 水平采用酶联免疫吸附法进行检测 (R&D Systems;Minneapolis,MN),LTB4采用竞争性酶免疫分析 法进行检测 (R&D Systems),检测方法按照厂家说明书进行。各项指标检测结果的下限:IL-6, 0.16pg / mL;IL-8,0.39pg / mL;TNF-a,1pg / mL;LTB4,93.8pg / mL;SLPI,1.25ng / mL。分别在患者入院时 (治疗前)、其后48h (中期) 和出院后8wk (恢复期) 进行包括细胞因子在内的所有检测。

统计分析

所有数值以xs表示。各指标随时间推移发 生的显著变化采用单因素方差分析。采用配对t检验 评价两个时点间的差异。由于收集的血浆量不足以完成所有时点所有细胞因子的检测,故每个时点检 测的细胞因子种类由英国实验室随机选择。为了校正标本数量的差异,采用混合线性模型 (即适用于纵向研究资料的分析但每例受试者观测次数不等的回 归模型) 分析细胞因子随时间推移发生的显著变化,模型中引入的分类变量为检测时点 (如入院时、中期和恢复期)。分类变量组间差异比较采用Wilcoxon检 验。症状、生理指标与细胞因子水平之间的关系采用Pearson法 (正态分布数据) 和Spearman法 (非正态分布数据,如细胞因子) 进行分析。采用绝对变化值比较临床和生理变量。入院时与恢复期发生的 细胞因子和生理参数的变化首次以相对变化的百分比表示,并用于相关分析。 P < 0.05示有统计学意义。

结果

患者特征见表1,为既往吸烟的老年患者,加重前平均FEV 1为 (4113) %预计值。入院时大部分病人 (67%) 需要氧疗,并且WBC计数增加,以分叶核和杆状核中性粒细胞为主。

临床和生理指标的变化

100%病人有呼吸困难,咳嗽和喘息见于68%病人,55%病人有痰量变化,45%有痰颜色变化。 发热 (t 38.1C,45%) 和咽痛 (35%) 相对少见。

图1示患者的呼吸频率、脉率和呼吸困难程度于入院时显著增加,在其后48h和出院后8wk显著下降。体温显著下降 (下降-0.7C,数据未列),但临床意义甚微。

生理指标的变化见表2和图2。住院期间患者的FEV 1和FVC改善甚微, 仅恢复期后两者的改善才具统计学意义[恢复期FEV1 增加了190mL (19%)]。IC则与此形成鲜明对照,从入院至中期即获快速改善[中期增加了230mL (13%)],出院后进一步改善[出院后8wk增加610mL (33%)]。 与此同时 (恢复期),分叶核中性粒细胞 (分别为79% 对69%,P < 0.02) 和杆状核中性粒细胞的比例下降 (分别为7.3% 对 1.0%,P < 0.01),而淋巴细胞比例增加 (分别为13% 对 22%,P < 0.003)。WBC计数无显著减少 (分别为11.4×106 对 9.0×106 / mL,P > 0.05)。

细胞因子变化

IL-6、IL-8和LTB4水平变化显著不同 (表3)。与入院时相比,住院期间[分别为 (6.38±0.72) 对 (2.80±0.77) pg / mL,P < 0.002]和出院后平均变化最大的细胞因子是IL-6。IL-8住院期间也有下降 [分别为 (8.18±0.85) 对 (5.57±0.83) pg / mL,P < 0.02],出院后进一步下降。与此相反,LTB4 水平在最初48h保持不变,恢复期后下降。TNF-a和SLPI水平无显著变化。

相关分析

呼吸困难的变化与呼吸频率、FEV1、IL-6和 IL-8的变化直接相关 (表4),FEV1的变化与IL-6和TNF-a的变化呈负相关。与临床指标相比,细胞 因子的相关系数 (r值) 较高 (表4后4行),但P值较小,因为细胞因子的样本量小于临床指标的样本 量 (见讨论部分)。

讨论

本项ECOPD住院病人的研究有以下发现。首先,最常见症状是呼吸困难。生理方面表现为呼 吸频率增加和IC下降。IC快速改善与呼吸频率下降有关。然而,FEV 1和FVC的增加则较缓慢,在出院后才有显著增加。其次,入院时血浆IL-6、IL- 8和LTB4水平升高,开始治疗后48h IL-6和IL-8迅速下降,而LTB4下降则较缓慢。这些变化与外周 血分叶核中性粒细胞数和分化较早的杆状核中性粒细胞数的变化平行,与淋巴细胞数增加形成对比。第 三,IL-6水平的下降与呼吸困难改善和FEV1增加相 关。入院至恢复期FEV1的增加与IL-6和TNF-a下 降相关。综上所述,这些发现提示ECOPD期间爆发的全身炎症反应与生理改变有关,导致呼吸困难 加重。

临床-生理改变

尽管COPD的主要花费来自住院医疗[19],但有 关ECOPD住院病人的临床生理变化的研究却不多。原因可能是多数研究在门诊病人中进行 [5,8,9,10,14,20,21]。我们首次描述了一组ECOPD住院病人的临床生理改 变 (表2,图1)。心动过速和呼吸频率增加是最重要的体征,而且变化最大。对所有患者的呼吸困 难程度进行了评分。事实上,入院时的评分达到了极量运动时病人报告的呼吸困难评分 [22]。本组病人的咳嗽 (64%) 和喘息 (64%) 与Anthonisen等[16]报道的门诊病人的结果相似。呼吸困难的VAS评分在 所有检测指标中下降最大 (55%) (表2),与肺功能和细胞因子的变化相关。这些观测结果表明精确定量 评估呼吸困难程度是可能的,其结果可用于评估ECOPD的临床进程。

既往曾有作者单一描述加重期的生理改变,包括急性发作时中位峰值流速下降6.6 L / min[21]和25 L / min[16]。Thompson等[23]报道,与安慰剂组相比, 接受泼尼松治疗的门诊病人在动脉PO2、呼吸困难、 FEV1和峰值流速等方面的改善更为快速。Niewoehner等 [24]研究显示,与安慰剂组相比,接受类固醇激素治疗的住院病人在第1天FEV 1即平均改善100 mL。近期Parker 等[14]和Stevenson等[15]研究发现,ECOPD期间的IC下降在恢复期才得以改 善。与我们的病人相比,他们的IC下降幅度较小 (分别为0.30和0.42对0.61 L)。但他们报道的FEV1变化却与我们的结果相似 (分别为0.19和0.2对0.19L),病例数也相似 (分别为20和22对20例)。与其他作者一样,我们也注意到最初48h 的FEV1变化不大。然而,IC的快速改善几乎与呼吸困难的减轻和呼吸 频率的下降同时出现。这些发现支持以下观点:即ECOPD期间出现动态过度充气,与运动时的动态过 度充气类似[14,15,22]。在FEV1显著改善之前,呼吸 频率和呼吸困难即有快速改善,IC增加,说明最早出现的临床改善很可能是由于通气需求的降低, 而不单纯是支气管扩张。我们认为,包括休息、抗生素和皮质类固醇激素在内的治疗,可快速减轻 全身炎症反应,正如检测到的促炎性细胞因子下降、呼吸频率下降和IC增加,从而使呼吸困难得 到改善。但这并不意味着FEV1的改善不重要,因 为入院至恢复期的FEV1改善确与IL-6和TNF-a水平 的下降相关。尽管如此,这些发现提示其他指标如呼吸困难评分、呼吸频率和IC可能更有助于监测 ECOPD病人的早期变化。

全身细胞因子

关于ECOPD的临床及生理改变和血浆细胞因子水平变化的研究非常有限。令人吃惊的是,我们 没有找到描述ECOPD期间细胞分类计数的系统研究。我们观察到,使用皮质类固醇激素之前WBC 计数就增加,恢复期没有显著下降。另一方面,中性粒细胞和杆状核中性粒细胞比例显著升高,同 时伴随淋巴细胞比例下降,这些异常随着康复得到纠正,提示活跃的炎症反应过程。与此相反,关 于全身细胞因子的报道则较多。Wedzicha等[25] 报道了ECOPD期间血浆纤维蛋白原和IL-6水平升高。Seemungal等 [26]仅在病毒感染导致加重的病人中发现血浆纤维蛋白原和血清IL-6水平有增高趋势。 Roland等[5]观察到加重期血浆内皮素-1水平升高, 并且血浆与痰中内皮素-1和IL-6水平相关。Gompertz等 [8]报道加重期化脓性支气管炎患者的CRP水平高于非化脓性支气管炎患者。同样,Dev 等[12]发现ECOPD住院病人的血清CRP水平升高。 我们发现加重期至恢复期血浆IL-6、IL-8和LTB4 水平的显著变化,而TNF-a和SLPI水平不变。重要的是,有些细胞因子的变化确与呼吸困难和FEV 1的变化相关,提示全身炎症反应在症状发生中的可能 作用。虽然我们没有检测痰标本中的细胞因子,但既往研究者已经证实了ECOPD患者痰中IL-6 [10]、IL-8[9]和LTB4 [8]水平的升高。据报道,鼻病毒感染后支气管上皮细胞释放IL-6 [27],吸烟的肺气肿患者细支气管上皮细胞中IL-8增加 [28],但是平滑肌细胞、成纤维细胞和炎症细胞同样可能是细胞因子 的来源[29]。绝大多数ECOPD的研究都集中在痰液, 因为认为痰液的变化反映了加重的过程。这些研究表明病毒 [26]和细菌[30]可能是导致急性加重的病因。 研究者们进而发现痰中中性粒细胞[6]、IL-6、IL-8、 TNF-a[9,10]和其他促炎性标记物[5,8] 升高,这些发现证实了气道炎症反应的存在。有数项研究 [5,8,12,20,25,26]在此基础上进一步探索了全身炎症反应,可惜临床 资料非常有限。

细胞因子与临床生理变化的关系

本研究首次观察了住院期间ECOPD的临床和生理变化及其与全身细胞因子的关系。从表4所示的 相关分析结果看,与我们研究的其他细胞因子相比,IL-6似乎能更好地反映呼吸困难和肺功能的变 化。本研究尚不能确定ECOPD病人特有的细胞因子改变类型。尽管如此,我们的结果表明,敏感检 测方法的应用使全身细胞因子及其与加重病程关系的评估成为了可能。在目前仅有的一项ECOPD住院病 人全身细胞因子的研究中,Noguera等[31]证实了入 院时IL-6和CRP水平增加,IL-8水平无变化,而TNF-a水平无法检测到。他们发现治疗期间细胞因 子无变化。他们的研究仅纳入10例病人,本研究纳入了20例,而且我们应用了超敏细胞因子分析方 法。

当然本研究也有局限性。首先,我们仅纳入了住院病人。正是这个群体,消耗了大量的医疗 资源,且复发的风险高。其次,没有纳入需要机械通气的病人。然而,在数项评估无创通气的使 用和疗效的研究[32]中,发现病人也出现呼吸浅快和 重度呼吸困难。第三,本研究设计未专门区分细菌或病毒感染在加重机制中的作用。尽管所有病人 均留痰培养,但20例中仅有3例痰培养有细菌生长。病毒和 (或) 细菌可能触发了不同水平的炎症反应,但本文描述的病理生理过程对多数ECOPD来说应该 是共同的。第四,由于收集的血浆量不足以完成所有时点所有细胞因子的检测,每个时点检测的细 胞因子种类由实验室随机选择。采用混合线性模型 (即适用于纵向研究数据, 但每例受试者观测次数不等的回归模型) 进行统计分析。因此,结果出现误差偏倚的可能性较小。

本研究表明,呼吸频率的测定和呼吸困难的VAS定量评估为急性发作严重程度提供了客观的描述 方法,而检测炎性细胞因子则有助于更好地理解急性加重的基础病理生理。可以想像,前瞻性地检 测细胞因子 (如IL-6),同时测定呼吸困难 (VAS)、呼吸频率和IC,可能更有助于反映急性加重的特征。

(彭敏 译 韩江娜 校)

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【英文原件请参阅 CHEST 2007;131:37-43