COPD精准医学

精准医学的气道性疾病生物学标记物COPD是一类复杂的临床实体性疾病。以往对它的诊断相关概念认识局限，现在人们已经清晰认识到COPD是一类有着临床和生物学异质性的疾病进展过程，并与其他的气道性疾病如慢性哮喘间有重叠。正因如此，对现有的标准化治疗实践，产生的全身性反应因人而异。新的临床指南已经意识到这一点，并加入了诊断和管理方案的症状和危险因素，来改进这方面的不足。然而，随着更深入地认识COPD有关的病理生理学，我们已经发现了许多新的生理的、细胞的、蛋白组学的和遗传学标记物。有些已经被用于独立预测某些特定的临床病型，这一点是传统的肺损害检测方法还无法做到的。这些预测性生物学标记物的应用前景无限，可用于对各种患者群体进行分层，从而改变我们的医疗方式。我们应该要致力于精准医学的发展，来完善诊断和治疗方案，从而管理和改进这类疾病的临床结果。介绍COPD是一类世界性的，威胁社会和健康管理目标的疾病。它的影响在未来数年还将上升，这不仅仅是对于发达国家，发展中国家也难以幸免。这部分是由于持续暴露于COPD的危险因素，部分是因为人口的老龄化。在美国，COPD不仅在导致30天内再入院的原因中排名第三，也是致死的第三大原因1。到2030年，在美国每年会有9,000,000人因COPD死亡，而直接和间接的医保费用将近36,000,000,000美元2。1959年的CIBA论坛3和1965年的Aspen肺部会议首次推广chronic obstructive pulmonary disease这个集合名词4，此后的四十年里，我们对肺气肿和慢性支气管炎的病理生理学的认识已经有了很大的变化。然而，尽管我们对它发展的复杂多样的机制有了更好的了解，我们很大程度上仍需依赖基础的肺功能阈值，来诊断和管理这类变异性疾病5。现在，随着研究有了更新、更先进的生物学数据库，我们可以更好理解和定义处于各种疾病阶段的特定的患者类型。因此，治疗的手段不再是以往接受的“一种模式适应所有”，我们正迈入一个裁缝医学的时代。这是模式的变迁，在呼吸领域，也许能说明这一点最好的例子就是实质性疾病的靶向治疗，如用特定的酪氨酸激酶抑制剂来治疗非小细胞肺癌，或是用ivacaftor作囊性纤维化跨膜电导调节器(CFTR)增效剂，来治疗发生了G551D突变的囊性纤维化患者。当我们对这些单基因突变案例的管理，已经极大地转向靶向治疗，我们必须牢记，多基因疾病如COPD，存在显著的基因、表型、环境间的交互作用，且很难明确界定。本文中提到的要真正的靶向治疗的实现，是一个雄心勃勃、且会愈加复杂的目标。近来，许多团队都尝试用多变量统计分析的方法，来进一步完善和定义怎样将COPD的多种类别，划分到对应的表型的亚型。然而，当我们尝试将分得的COPD亚型，和可能有意义的临床指标，如症状、治疗效果、恶化率、死亡情况联系起来时，存在脱节。在这篇文章中，我们将关注COPD诊断的复杂性，以及随后的生物学标记物引导的治疗潜在的靶点和含义，致力于管理和改进这类疾病的临床结果的靶向治疗。伴随诊断的发展除了靶向治疗，伴随诊断也越来越多地被应用：即专门的生物学标记物，它们可传递临床生物学信息，来识别有应答的患者亚群。如果我们能理解是什么在掌控疾病进展的机制，我们就能去鉴别那些掌控的关键因素，不仅可用于伴随诊断，也能用于药物的发展实现这一点的关键则是健全的、基础的科学研究。应用伴随诊断益处良多不仅对患者，对健康医疗系统、制药行业均有裨益。对患者来说，预测治疗会有的反应，就可以通过避免用无效的，甚至临床上有害健康的药物这类不必要的治疗，来改善治疗效果和生活质量。站在健康经济学角度，我们会希望靶向治疗能减少药物花销，反过来降低整体的医疗保健费用。从制药领域来看，预测性的生物学标记物可能提高成功率，即试验药物能提供有意义的临床结果，从而更高几率通过监管机构的审批。然而，要建立能支持个体化药物治疗的实施平台，仍挑战重重。尤其在气道性疾病，疾病相关靶点的缺失，以及在能使生物学标记物有效地可重复性检测患者的治疗效果方面，所做的努力和付出的时间也不够，这些因素都阻碍了我们的进展。事实上，如果靶向治疗在批准通过前也含糊地要求伴随诊断（就像美国的一些治疗案例一样），这可能会极大地阻碍药物的发展，使适合的患者得不到积极的药物治疗。理想的伴随诊断的发展概括如下，我们的目标也应如此：即致力于“4P医学”预测性的、预防性的、个体化的、参与性的治疗（predictive, preventive, personalized, and participatory）（图1）。COPD传统的诊断和现今的模型COPD的病理学改变包括肺泡壁的气肿性缺损，大的传导性气道的黏液腺增生，以及纤维化支气管炎。这些改变与气道和肺对有害性颗粒或气体的慢性炎性反应的加强有关。临床上，这会发展为不完全可逆的进行性的气流受限，伴随有咳嗽、咳痰、持续性进行性或是在运动后加剧的呼吸困难6。恶化和并发症可以导致患者（GOLD2011-2014）病情的整体加重7。COPD的急性加重期与肺和全身性的炎症加重有关。通常这被看做是疾病自然进程中的一个节点，不同于正常的日常变异性的改变，出现即充分说明需要加强管理治疗6。然而，疾病加重的进一步分类方法仍未被建立。病情严重程度的进一步可行的分类，有助于临床医生对加重类型和它可能的结果进行分级：等级1可以在家治疗；等级2需要入院治疗；等级3呼吸衰竭。目前还是用肺功能来进行诊断，用FEV1/FVC来说明疾病的严重程度，当FEV115%且FEV1400ml）；（2）哮喘病史（年龄12%且200ml）；（2）过敏史；（3）整体血清IgE的升高。这个分类能帮助我们识别对吸入性糖皮质激素反应增强的一小部分患者。这些患者在疾病自然进程的早期，就需要用ICS进行联合治疗。然而迄今为止，对不同的标准和COPD治疗效果之间的关系仍缺乏总结性的证据，所以有前瞻性的研究应该要侧重这一点。频繁的加重发作频繁加重发作的表型是指患者每年有两次或以上的加重发作。ECLIPSE研究表明，过往频繁加重发作的病史，是对每年会有两次或以上加重发作的最好的预测指标27。此外，观察3年的数据，频繁的加重发作（定义为每年2次以上的加重发作）是一类相对稳定的表型。这项研究还证实了下降的FEV1值是加重发作的危险因素27。这些分析也提到了没有加重发作的患者亚组。在第1年和第2年没有经历加重发作的患者，有75%的可能不会在第3年病情加重27。频繁的加重发作的特点是，气道性和全身性的中性粒细胞炎症28,29，动态变化的肺过度通气30，较低气道的细菌繁殖31和其他全身性表现，包括肥胖、心血管疾病、糖尿病、抑郁、肌病和返流。它们都和短期内的高病死率有关32,33。因此，从治疗角度来说，频繁的加重发作可以用ICS和长效受体激动剂（LAMA）联合治疗，这和现有的治疗指南也一致。然而，其他的研究工作也提示，抗菌药物的使用可对加重发作起到预防作用。与安慰剂的使用相比，大环内酯类药物的维持疗法34,35和莫西沙星的间断冲击疗法36，也证实可以降低病情加重的发作率。因此，这些也都可以考虑用于COPD频繁加重发作型的治疗。但是这种方式会存在导致个体和社会产生细菌耐药的风险，故目前并不被广泛推荐。全身性的炎症 ECLIPSE生物学标记物的队列研究中，用持续升高的生物学标记物水平，来识别COPD患者的一类亚组。尽管有着相似的肺损害改变，但是这类亚组的加重发作的几率更高，生存率也更差，说明这种类型是COPD的一个新表型37。这类表型的特点即全身性的炎症反应（或inflammome，这一点稍后会详述）。这种表型的病人与对照组完全不同，而且有一小部分病人存在全身性炎症，这会导致更加糟糕的预后。而且，持续的炎症可导致并发症，包括心血管疾病，高血压，和糖尿病。 COPD表型的常规识别采用多因素分析，已经发现了表型相关的特点与临床结果之间的平行关系。这些特点可以识别潜在的COPD表型（例如，频繁的加重发作），会产生一些有趣的结果，但是它是基于较少变量的临床观察，可能会漏掉一些更复杂的表型。相关的影响因素呈增多的趋势，可以用其他的数学方法将它们进行整合，例如聚类分析，它受预先假定的影响更小，故而偏差也小。这个模型很有意思，而且已经在其他COPD研究中有所应用。它合并了各种信息，所以能将来源于不同变量的数据，分成相对同类的组。然而，只有一个证实了识别的群与纵向所得的明显的结果间存在相关性。Garcia-Amyerich等人38研究了首次入院的COPD患者的加重发作期，并根据明显的临床差异分成三类人群（分别是呼吸系统严重受损的COPD，呼吸系统中度受损的COPD，呼吸系统轻度受损但是更多患肥胖、心血管和代谢性疾病的COPD）。这些临床差异可以预测未来的病死率和住院需求程度。Vanfleteren等人39近期也做了类似的研究，他们根据明显出现的并发症情况（较少并发症的；心血管疾病的；恶病质的；代谢性疾病的；心理性疾病的），识别出五类COPD的群。尽管这些并发症都有相似的肺损害表现，但是它们相关的疾病是处于不同的健康阶段。因此，聚类分析更适于探究多变量的分析40，而且所得的结果应该在病人的多组队列的临床相关终点中得到验证。网络相关理论网络医疗是一种新型的研究手段，它能全身性检查某种特定疾病的复杂的分子学特点，从而识别疾病相关的模式和通路，以及在特异的病理表型间的分子学联系。网络医疗也能探究疾病的异质性，可以作为新的疾病分类的基础，来揭示根本的发病机制，指导合理的治疗和预防。最近的一项研究阐释了这种方法发展的可能性。全身性炎症（the inflammome）Agusti等人最近描述了COPD患者的全身性炎性反应，用一组含六种的血清学标记物，验证了吸烟诱发的全身性炎症与COPD的炎症不同37。标记物包括白细胞计数，CRP，IL-6，IL-8，TNF-和纤维蛋白原。吸烟诱发的炎症特点是循环中白细胞、IL-8、TNF-水平升高。这和COPD的吸烟患者也不相同（他们的特点是白细胞的升高更显著，且伴异常的CRP、IL-6和纤维蛋白原的血清学水平）。事实上，他们的研究发现，至少30的COPD患者没有基础的全身性炎症反应，甚至一年以后也没有。有趣的是，在他们研究的队列中，大约20的COPD患者有持续的炎症，更重要的是他们的病情加重的可能性是没有炎症反应的患者的两倍。另外，他们3年的病死率也增加了六倍。这项研究通过一种简单的网络途径，识别了COPD的一类亚组。该亚组的患者，肺受损的程度相似，但是预后完全不同。毫无疑问，我们需要进一步研究这种COPD的表型，确定治疗的方案。COPD假定的生物学标记物将伴随诊断应用于临床气道性疾病的领域，方法显然很复杂，尤其是像COPD这样的多样的实体性疾病。如图3描述的网络学医疗手段，综合性强，且侧重于疾病的发病机制，这种方法能否更加可靠地对所有纳入的COPD患者进行临床表型分类呢？遗传危险性变异可以通过漫长的途径发展为一类复杂疾病，涉及到一系列的机制，包括转录组学、蛋白组学和其他组学。这些整合起来，就可能构成临床表型的特点。在COPD有很多研究所关注的，且有用的生物学标记物，有些概述如下。重要的是，许多在此描述的生物学标记物在临床上具有无创或容易获得的优点。生理学测量近来，随着对COPD自身复杂特性的认识的加深，许多评分方法问世并发挥作用。包括BODE指数（体重指数，FEV1，呼吸困难和运动能力），ADO指数（年龄，呼吸困难，FEV1），DOSE指数（呼吸困难，FEV1，吸烟程度，加重发作的频率）。其中最有价值的是BODE指数：即一份10分的量表，得分越高，病情越严重41（见表3）。BODE得分在预测一年内各种病因导致的病死率方面，比FEV1更有效41。近来越来越多的研究已经将BODE指数作为住院的预测指标（同样优于FEV142），其他的数据也表明BODE指数可作为评估治疗干预效果的有用参数43-45。ADO指数是基于常规的GOLDFEV1标准，年龄和呼吸困难情况，可以用于预测3年病死率（表4）。DOSE指数能预测COPD病情未来的主要后果，包括住院，呼吸衰竭，加重发作；加重的阶段和吸烟程度这两项内容，是DOSE有别于其他综合评分体系（表5）47。然而，和ADO一样，它也不能评估治疗效果。蛋白质ECLIPSE研究基于以往研究，或相关机制例如组织的破坏/修复、或改造，研究了34种来源于外周血的蛋白标记物48。他们还研究了炎症相关的标记物，包括血浆中的CRP、纤维蛋白原、IL-8，以及肺来源的生物学标记物（或肺炎球菌蛋白）例如表面活性蛋白D（SP-D），肺泡损伤标记物；clara细胞分泌蛋白16（CC16）是上皮细胞损伤的重要提示物；以及肺部活化调节因子（PARC-9或CCL18）。在ECLIPSE和其他研究的基础上，血浆纤维蛋白原是迄今最有效的生物学标记物。它与症状、运动能力、加重发作率、BODE指数、病死率49,50关系密切。例如，我们知道，COPD患者的基础血浆纤维蛋白原水平3.3g/L，此时肺功能已经受损，且住院风险增加51。将纤维蛋白原连同其他血中生物学标记物一起评估，如CRP、白细胞计数，外周血中这三者水平的一同升高，提示频繁加重发作的风险增加。这个发现同样适用于轻度的COPD患者，和以前没有频繁加重发作病史的患者52。基于此，血浆纤维蛋白原可能成为药物发展中贡献最为突出的生物学标记物53。在文献的其他蛋白标记物中，纤连蛋白/CRP比值与增加的病死率独立相关54，CC16与肺功能下降和肺气肿程度的相关性较差55-57，SP-D与COPD加重发作间也不太相关，但可反映口服或吸入糖皮质激素的治疗效果58。在对ECLIPSE和肺健康研究队列的综合分析中，发现血清CCL18（PARC）与心血管疾病住院的风险增加以及病死率有关59。定量CT成像人们早就发现，影像学发现与病人多种临床症状之间存在相关性，这一点为影像学可以作为病人表型的一种生物学标记物的理论增加了筹码。后来，定量CT成像在这方面的应用引发了人们很大的兴趣。CT结果已经表明与临床症状有关CT所测得的肺气肿程度与气道厚度，都与根据预测FEV1降低百分数调整后的呼吸困难独立相关，这就提示这两个因素对于病情发展的贡献是相同的。此外，研究表明气道厚度与咳嗽和气喘的发病有明显相关性60。重度COPD病人的高分辨率CT结果提示，肺气肿破坏区域的肺组织中气道数量减少，BODE指数的预计得分较高61。这些结果表明，在吸烟患者中，基于CT的气道数量计数可能成为一类独特的COPD表型。功能性CT成像反应参数图（PRM）是一种评估COPD表型的体素图像分析工具。Galban等人分析了COPD基因研究中194个独立的COPD患者的吸气和呼气时的全肺CT扫描。PRM能够定量测量正常肺实质，也能够确定功能性小气道疾病以及肺气肿的程度。他们提供了一些基于影像学的证据，证明当COPD病情加重时，功能性小气道病变先于肺气肿发生。因此，反应参数图是一种灵活的影像学生物标记物，通过提供关于病变分布以及解剖学定位相关的空间信息，能够识别疾病严重程度和表型62。反应参数图对于特定的COPD表型的鉴别能力，能够让诊断更为准确，也更便于监测个体病例和患者队列。基因组学/转录组学一些大规模队列研究（ECLIPSE 25, NAS63和NETT64, GenKOLS 65和COPDgene 23）在全基因组范围内，识别了几个与COPD患病敏感性有关的基因位点以及危险的基因座，包括在染色体15q25上的CHRNA3/CHRNA5/IREB2，染色体4q31上的HHIP和在染色体4q22上的FAM13A。大规模的全基因组关联分析（GWAS）的Meta研究在患者的一般人群中，识别出一些与肺功能水平相关的类似基因，包括HHIP和FAM13A66。在染色体15q25上，烟碱型胆碱能受体CHRNA3和CHRNA5均与吸烟行为有关67，而且，事实上，调控分析的探究证明，CHRNA3/5的变异似乎很大程度上受吸烟所调控68。然而，位于人类肺上皮细胞纤毛边界处的铁反应元件结合蛋白2（IREB2）的变异，与COPD有关，不受吸烟所影响69。这项研究提示，虽然有些含糊证据证明染色体15q25位点与COPD疾病所处阶段之间的关系可能受尼古丁影响，但是也有证据显实其不受吸烟所影响。编码HHIP（脊椎动物所特有的HHIP蛋白，是一种与肺部形态发育以及肺部损伤细胞反应相关的通路下调因子）的染色体4q31被认为是另外一种COPD的危险基因位点。然而，在第一个COPDGWAS中，HHIP位点一直被检测到但是并没有达到全基因组显著意义70。随后的研究在欧洲血统的一般人群中发现了HHIP与FEV1/FVC比值之间的全基因组显著意义 71, 72，故而强调了HHIP在COPD发病机制中可能充当的角色。此外，在恶性COPD患者的组织样本的mRNA和蛋白水平中，我们都发现了HHIP的表达减低73，而且体外HHIP的表达下调，也支持基因表达能够影响细胞增殖和细胞外基质的沉积这一论述74，这与现在所接受的COPD病理生理学过程是相符合的。编码FAM13A基因的染色体4q22是大型GWAS中复制最多的基因之一，在这些研究中发现这一基因与FEV1的降低有关75-77，同时在研究早发型COPD的队列研究中也有该发现78。至今，FAM13的特征描述，以及它在COPD发病机制中的功能依然处于早期阶段。然而，对409份肺/血液样本的肺部表达数量性状基因座（QTL）的分析，支持FAM13A是一种COPD致病基因的结论 79。另外，COPD病人的队列研究证实通过胸部CT测量的肺容量和肺气肿程度与FAM13A有关80。其他的基因和基因区，包括ADAM19，FGF7和SP-D，均被证实与吸烟者的COPD病情发展可能有关，但是依然需要对更多人群的研究来验证。此外，为了探究基因对于COPD异质性的影响，在ECLIPSE队列研究中，人们检测了在上述COPD GWAS识别的范围内，几处关键的单核苷酸多态性（SNPs）与几个COPD临床相关特点的关系。这也在国际COPD遗传学网络（ICGN）队列研究的结果中被证实81。在上述两个研究的人群中，均发现CHRNA3/5 SNPs与累计香烟暴露量（包年）、肺气肿以及气流阻滞间的相关性81。相反的是，ECLIPSE研究显示，HHIP与烟暴露量无关，但是SNPs与FEV1/FVC比值、体脂含量以及COPD加重发作频率相关81。GWAS也曾经试图鉴定另一种有肺功能急剧下降的COPD表型。Hansel等人完成过一项为期5年的GWAS，主要探究这5年内由轻度向中度转化的COPD病人的FEV1变化，识别了几个基因座，包括在10号染色体上的锚定蛋白3（ANK3）和跨膜蛋白（TMEM26）和14号染色体上的叉头框蛋白1（FOXA1）。有趣的是，这些基因位点在之前的COPD GWAS中，亦或是肺功能的横断面研究中，并未被识别出，但是可能代表了一类新的COPD敏感性基因82。在另一个有关痰液的基因转录组学研究中，揭示了某些SNPs会影响循环中一些保护性的肺炎球菌蛋白的水平，这些SNPs包括CC16和SP-D，它们与CC16在痰液中的mRNA表达有关，提示CC16在全身和肺组织的调控是协调的83。Menche等人84已经完成了更为深入的探索工作，他们利用一种新型的网络技术，联合ECLISPSE原始队列研究中140个COPD患者的临床特征和功能特点，以及痰液转录组学（Affymetrix公司）微阵列技术，进行基因表达的研究。人们首次运用双交叉法，检测临床表型队列中两个极端的四分位数的基因差异表达，而这些队列是由专家决定，是根据病人有支气管炎，COPD加重发作病史，BMI，气流受限程度以及CT显示有肺气肿或气道疾病。这个方法检测了6049个基因的表达情况，除了气流阻塞的严重程度有所变化外，并未发现任何不同。因此，我们可以总结得出，轻/中度COPD和重度/极危重COPD类型是与痰液中不同的转录组标记物有关的。其次，他们使用一种新式的无偏向的生物信息学算法名为VIStA，使各组之间的基因表达水平的差异最大化，从而对临床表型进行比较。这种方法将气流受限和肺气肿程度作为网络研究中最关键的点。然而，它也识别了其他一些有差异的因素，例如年龄、BMI、运动能力、慢性支气管炎、某些炎性标记物（IL-6，IL-8和SP-D）以及一些痰检结果（中性粒细胞高/淋巴细胞低）。单从这些数据中，不能够得出疾病的原因和结果，但是轻/中度CO