急性加重期慢性阻塞性肺疾病外周血生物标志物研究进展

摘要：急性加重期慢性阻塞性肺疾病（AECOPD）以气道炎症加剧和肺功能快速恶化为特征，是导致患者住院及死亡的主要原因。近年来，外周血生物标志物因检测便捷、可动态监测等优势，成为AECOPD早期诊断及预后评估的研究热点。嗜酸性粒细胞（Eosinophil，EOS）、血小板（Blood platelet，PLT）、纤维蛋白原（Fibrinogen，FIB）等生物标志物与AECOPD的严重程度及复发风险密切相关。因此，本研究对急性加重期慢性阻塞性肺疾病外周血生物标志物研究进展进行综述。

关键词：急性加重期慢性阻塞性肺疾病；外周血生物标志物；嗜酸性粒细胞；血小板；纤维蛋白原；研究进展

慢性阻塞性肺疾病（COPD）作为呼吸系统常见病症，以持续性气流受限为主要特征。该病症的发病率与死亡率均处于较高水平，给全球公共卫生事业造成了巨大压力。急性加重在COPD的整个病程中属于关键环节，当急性加重型慢性阻塞性肺疾病（AECOPD）发生时，患者气道炎症进一步加剧，肺功能也会快速恶化。这种情况不仅对患者的生活质量产生严重的负面影响，还明显提升了患者的住院率和死亡率。鉴于此，尽早精准诊断AECOPD并实施有效的预后评估，对于优化患者临床结局有着不可或缺的重要意义。近些年来，外周血生物标志物凭借其检测方便、便于动态监测等优势，成为AECOPD研究领域的热门方向。通过检测外周血中的这些生物标志物，可以直观反映疾病的发生发展过程，进而为AECOPD的早期发现、病情评估、治疗方案的抉择以及预后评判提供关键依据。本文将依据AECOPD的临床特点，针对外周血生物标志物的研究进展展开全面阐述，并对未来该领域的研究方向予以前瞻性的展望，在为后续研究提供思路的同时，也期望能助力AECOPD临床诊疗水平进一步提升。

1  急性加重型慢性阻塞性肺疾病的临床特征

AECOPD的关键临床特点涵盖呼吸困难、咳嗽，以及咳痰量增多或者痰液性状出现改变等情况。这些症状通常超出了患者日常症状波动的正常范畴，所以往往需要对药物治疗方案做出相应调整。在急性加重期间，患者的气道炎症会出现显著加剧的状况。此时，中性粒细胞、巨噬细胞等各类炎症细胞会在气道内部大量汇聚，同时释放出多种炎症介质，像是白细胞介素（IL）-6、IL-8以及肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等。这些炎症介质的释放，会进一步加剧气道炎症反应，使得气道黏膜出现充血、水肿现象，黏液分泌也随之增多，进而导致气道阻塞情况愈发严重。不仅如此，炎症反应还会引发全身性的炎症状态，对多个器官系统的正常功能造成不良影响。AECOPD若频繁发生，会极大地加快患者肺功能衰退的速度，致使患者活动耐力明显降低，生活质量受到严重损害。相较于那些未出现急性加重或者急性加重次数较少的患者，频繁发生急性加重的患者，其肺功能下降速度更快，住院次数明显增多，死亡风险也大幅提高。所以，及时察觉AECOPD的发生，并迅速采取有效的治疗手段，对于延缓病情发展进程、降低患者死亡率而言，有着十分重要的意义。

2  急性加重型慢性阻塞性肺疾病外周血生物标志物研究

2.1  嗜酸性粒细胞（Eosinophil，EOS）与AECOPD  基于哮喘的研究可得知，与EOS相关的气道炎症反应由上皮细胞暴露于损伤(过敏原、污染物、病毒感染等)后释放的细胞因子引发，包括白细胞介素-25(IL-25)、白细胞介素-33(IL-33)和胸腺基质淋巴细胞生成素(TSLP),通过激活树突状细胞、NK细胞触发炎症级联反应来诱导辅助型T细胞2型(TH2)极化[1]。并直接激活2型固有淋巴细胞(ILC2)[2]，导致包括白细胞介素-4(IL-4)、白细胞介-5(IL-5)和白细胞介素-13(IL-13)在内的多种细胞因子的产生增加，这些细胞因子驱动2型免疫反应效应细胞(包括 EOS)向炎症组织募集和活化，并在暴露于抗原时介导B细胞分泌的免疫球蛋白向免疫球蛋白E的同种型转换[3]。IL-5是EOS最具特异性的细胞因子，主要由TH2细胞产生，在炎症状态下诱导EOS分化和动员，促进骨髓排出EOS到循环中，并进一步诱导EOS活化和脱颗粒[1]。除IL-5之外，近年来,IL-33已成为慢阻肺中EOS炎症的重要介质[4, 5]，例如Damian Tworek等人发现，与痰EOS≤3％的慢阻肺受试者相比，痰EOS增多(> 3％)的受试者的血清和痰IL-33水平都要更高[5]。 在炎症组织部位，EOS通过释放多种毒性颗粒、细胞因子、趋化因子来参与炎症反应，导致上皮细胞损伤，成纤维细胞、气道平滑肌(ASM)、杯状细胞增生，细胞外基质(ECM)蛋白沉积和血管生成[6]。上皮细胞损伤会激活修复途径，引起气道结构的变化[7]，例如EOS释放的IL-5、脂质介质等可促进气道粘液高分泌，释放的促纤维化因子转化生长因子(TGF-β)通过诱导肌成纤维细胞分化和ECM沉积来促进气道重塑[8]。对已建立EOS相关性气道炎症的小鼠施用抗TGF-β抗体可显著减少气道重塑[9]；除此之外，EOS还可释放成纤维细胞生长 因子(FGF2)、神经生长因子(NGF)和血管内皮生长因子(VEGF)等来调节肌成纤维细胞；释放的基质金属蛋白酶-9(MMP-9)对ECM修饰和通过基底膜迁移起着重要的作用。并且MMP-9可能是接近IL-13介导的信号通路的关键分子[10]。总之，在气道炎症反应中，EOS参与了导致气道粘液高分泌、气道损伤和重塑的病理过程。近几年的研究发现，外周血EOS与肺功能 FEV1的下降有关，提示了外周血EOS可作为肺功能下降的预后生物标志物。在一项基于年轻人群的纵向研究中，随着时间推移，没有哮喘的健康个体 (n=971)在21岁至38岁之间，外周血EOS越高， FEV1和FEV1／FVC下降越快，且这种变化规律与受试者是否吸烟无关[11]。另一项回顾性研究分析了没有哮喘或气流阻塞病史的年轻成人(平均年龄36 岁，中位随访5.6年)的卫生保健筛查记录(35．9 万)，发现基线时较高的外周血EOS与气流阻塞的 发展有关[12]。Tan等[13]人在一项前瞻性队列研究 中招募了年龄≥40岁(n=1120)的人群，发现无论是否患有慢阻肺，基线外周血EOS≥300细胞／uL 都是肺功能加速下降的一个重要且独立的风险因 素，并且与基于胸部CT扫描的气体捕获、气道壁增厚和总气道计数的减少有关。一项来自英国的慢阻肺患者电子病历数据显示，在随访3年以上的患者中，未接受ICS治疗的外周血EOS较高患者FEV1下降幅度更大，急性发作频率更高，而ICS的使用可以降低FEV1下降幅度[14]。无论是否患有阻塞性气道疾病，外周血EOS较高与FEV1的下降和气流阻 塞的发展相关，这提示了EOS参与早期慢阻肺的进 展。关于EOS在慢阻肺中的具体功能和作用，近年 来有了新的突破，徐霞等[15]利用单细胞测序技术,进一步探讨嗜酸性粒细胞在不同病理条件下的不同亚型和功能,并结合哮喘、慢阻肺及慢阻肺-哮喘综合症患者的临床标本加以验证。结果发现嗜酸性粒细胞在哮喘和慢阻肺动物模型中分别存在不同亚型,在哮喘中以炎症型嗜酸性粒细胞为主,通过脱颗粒化和释放炎性介质促进过敏反应;慢阻肺模型中则以肺气肿型嗜酸性粒细胞为主,通过产生溶酶体组织蛋白酶L(CathepsinsL)降解破坏细胞外基质,抑制肺组织的损伤修复,从而促进了肺气肿的发生发展过程。在慢阻肺患者血清中,CTSL的表达水平与嗜酸性粒细胞增高相关。该研究[15]揭示了嗜酸性粒细胞通过促进肺气肿发生的作用机制，为嗜酸性粒细胞增高型慢阻肺亚型提供了特异的生物标志物，并为慢阻肺的治疗提供了新的干预靶标。

2.2  血小板（Blood platelet，PLT）与AECOPD  血小板是最小的血细胞，数量在 150 到 300 之间。血小板在血管中起重要作用，当血管损伤时，可以止血和促进血栓形成。其机制可能有以下几点：1.缺氧、慢性炎症、氧化应激等各种刺激因素导致血管内皮细胞损伤破坏，使得血浆下胶原蛋白的暴露，而暴露的胶原蛋白可以直接与血小板 GPIa / IIa 和 GPVI 受体结合，将血小板束缚到血管壁，导致血小板内的信号传导和最初呈圆形或“板状”的血小板变平。继之以牢固的粘连，导致血小板凝块或血栓形成[14]。 2.血小板活化后可导致前列腺素的形成，前列腺素与血小板表面 G 蛋白偶联受 体（GPCR）结合，进一步促使血小板激活[16]。此外，血小板在协调炎症和免疫反应中也起主要作用，血小板α颗粒包含多种细胞因子，这些细胞因子与炎症有密切的关系，研究表明，血小板激活后导致 P-选择蛋白表达，可增加 C3b沉积，C3a 生成和 C5b-9 形成来启动补体激活，另有研究已经证明血小板微粒表达 gC1qR，它可以激活经典的补体级联反应[17]。 传统上，人们认为血小板纯粹只有止血、促进血栓形成的作用，但是，越来越多的研究表明，血小板在促进炎症及协调免疫方面也起着至关重要的作用，甚至这种作用可能与止血、促进血栓形成一样重要。正常情况下，血小板通常以非活动，非黏附状态通过脉管系统循环的，COPD 患者经常存在缺氧、慢性炎症、氧化应激等病理状态，这些都可能导致肺血管内皮细胞损伤破坏，使得血浆下胶原蛋白的暴露，而暴露的胶原蛋白可以直接与血小板 GP Ia / IIa 和 GP VI 受体结合导致血小板激活[18]。研究表明，活化后的血小板的形状从典型的盘状变成更为球形的形状，长长的假足从细胞体延伸到微米，这增加了血小板与其他血小板、凝血蛋白或粘附蛋白接触的可能性，从而促进凝血、聚集和粘附反应，同时血小板细胞表面积的增加为凝血反应提供了更大的区域，从而加速可溶性纤维蛋白原转化为不溶性纤维蛋白。在形状发生变化的同时，血小板释放多种颗粒，包括血小板激动剂、凝血因子、粘附蛋白、致密蛋白和膜结合粘附蛋白等，可以加速血小板的聚集过程[19]。通过以上研究可知， 缺氧、慢性炎症导致血小板的活化，活化后的血小板可释放出血小板激动剂以及凝血因子，促进血栓形成，进一步加重缺氧，这种恶性循环可能是 COPD 加重的原因之一。COPD患者的血小板聚集性高、血小板被活化[20]。其原因可能有以下几方面：（1）COPD 患者多有吸烟史，吸烟能够导致内皮细胞功能紊乱、上调血小板活化因子（PAF）、上调 COX-2 表达, 增加前列腺素E2 (PGE2) 和血栓素 A2（TXA2）释放，从而使血小板活化，导致血小板黏附聚集[21]。（2）慢性阻塞性肺疾病与全身炎症反应有关，炎症可以损伤内皮屏障，使内皮下间隙暴露，血小板可以与胶原蛋白、血管性学友病因子（vWF）、纤维连接蛋白以及其他许多细胞外粘附蛋白相互作用导致血小板黏附聚集，此外，损伤的内皮屏障释放许多前炎症因子，这些因子与血小板相互作用，进一步促进血小板和内皮细胞的促凝血和促凝血功能[22]。（3）长期的缺氧诱导了血小板膜上的代谢变化，增强环氧合酶-1 的活化，导致血栓素 A2 增加，从而促使血小板聚集形成[23]。另外，COPD 患者常有典型的低氧血症，尤其是周围组织低氧血症，可以引起骨髓刺激，促进血小板生成[23]。 尽管血小板与 COPD之间的作用机制尚未十分明确，但不可否认的是，血小板活化是至关重要的一步，抑制血小板活化可能可以减缓COPD患者病情的加重。

2.3  纤维蛋白原（Fibrinogen，FIB）与AECOPD  血浆FIB是由两组二硫键连接的Aα⁃、Bβ⁃和γ⁃链组成，在肝细胞中合成的可溶性糖蛋白。众所周知，它参与止血的过程，在凝血级联反应中提供支架的作用。血浆FIB同时是一种主要的急性期炎症应激性蛋白，其合成在炎症介质的刺激下被上调[24]。COPD患者在长期的缺氧、二氧化碳潴留、机体酸中毒和反复感染等因素作用下，导致血管内皮损伤并释放炎性介质，进而诱导FIB生成，以及机体凝血系统激活。2016年美国食品和药物管理局（FDA）已批准血浆FIB可作为一种用于评估AECOPD和COPD的死亡率的预测性生物标志物[25]。ZHOU等[26]研究发现血循环中较高的Fib与COPD的严重程度之间存在分级、浓度依赖的显著关系。庄琼馨等[27]关于AECOPD研究表明，FIB对AECOPD有诊断价值，FIB最佳诊断临界值为3.217g/L。AECOPD患者可因多种因素导致组织因子分泌和血管内皮损伤，改变凝血和纤溶能力，这种持续的血液高凝状态易于促进慢阻肺病程的进展。纤维蛋白原是一种炎症急性期蛋白，其水平随炎症介质(如IL-6)而上调，是经过FDA批准唯一一个与病死率相关的生物标志物。纤维蛋白原升高可提示AECOPD的病情进展和严重程度，纤维蛋白原与ADO(年龄、呼吸困难、气流阻塞)指数、BODE(体质量指数、气流阻塞、呼吸困难、运动能力)指数和DOSE(呼吸困难、阻塞、吸烟、加重)指数等重要功能指标和预后指标呈正相关[28]。Mohan等[28]通过回顾性研究发现，纤维蛋白原水平与COPD的严重程度呈正相关，尤其是在急性加重期（AECOPD）患者中，纤维蛋白原水平显著升高，纤维蛋白原在预测COPD急性加重期的严重程度方面，比C反应蛋白更具敏感性和特异性。纤维蛋白原还被认为是预测无创正压机械通气失败的可靠生物标志物，当纤维蛋白原>3.55 g/L可独立预测NIPPV失败[29]。然而，目前的研究仍存在一定的局限性，例如样本量较小、研究设计的异质性等。未来的研究应进一步扩大样本量，优化研究方法，以明确纤维蛋白原在COPD中的具体作用机制。

3.小结与展望

外周血生物标志物在AECOPD的早期诊断、病情评估以及预后判断方面，具备十分重要的潜在价值。像嗜酸性粒细胞、血小板数这类传统生物标志物，已然得到了相对广泛的研究。但是这两者的比值与AECOPD的相关性目前鲜少有人报道，通过联合多标志物检测的方式，能够提升诊断的准确性。而新型生物标志物的探索，则为AECOPD的精准分型与个性化治疗开拓了全新的方向。不过，就现阶段而言，外周血生物标志物在AECOPD的临床应用过程中，依旧面临着诸多挑战。目前，临床实践中尚缺乏一种能够全方位、精准反映AECOPD病理生理过程的生物标志物组合，同时，基于生物标志物的完善临床诊疗路径也尚未建立起来。为了推动AECOPD的临床诊断与治疗发展，需要进一步开展大规模、多中心、前瞻性的研究工作。

参考文献

 [1] Robinson D, Humbert M, Buhl R, et al. Revisiting Type 2-high and Type 2-low airway inflammation in asthma: current  knowledge and therapeutic implications[J]. Clin Exp Allergy, 2017,47(2):161-175.DOI:10.1111/cea.12880.

 [2] van Rijt L, von Richthofen H, van Ree R. Type 2 innate lymphoid cells: at the cross-roads in allergic asthma[J]. Semin Immunopathol, 2016,38(4):483-496.DOI:10.1007/s00281-016-0556-2.

 [3] Chung K F, Dixey P, Abubakar-Waziri H, et al. Characteristics, phenotypes, mechanisms and management of severe asthma[J]. Chin Med J (Engl), 2022,135(10):1141-1155.DOI:10.1097/CM9.0000000000001990.

 [4] Angulo E L, McKernan E M, Fichtinger P S, et al. Comparison of IL-33 and IL-5 family mediated activation of human eosinophils[J]. PLoS One, 2019,14(9):e217807.DOI:10.1371/journal.pone.0217807.

 [5] Tworek D, Majewski S, Szewczyk K, et al. The association between airway eosinophilic inflammation and IL-33 in stablenon-atopic COPD[J]. Respir Res, 2018,19(1):108.DOI:10.1186/s12931-018-0807-y.

 [6] Bergeron C, Tulic M K, Hamid Q. Airway remodelling in asthma: from benchside to clinical practice[J]. Can Respir J, 2010,17(4):e85-e93.DOI:10.1155/2010/318029.

 [7] Squillace D L, Checkel J L, Tefferi A, et al. Development and application of novel immunoassays for eosinophil granule major  basic proteins to evaluate eosinophilia and myeloproliferative disorders[J]. J Immunol Methods, 2021,493:113015.DOI:10.1016/j.jim.2021.113015.

 [8] Serezani C H, Divangahi M, Peters-Golden M. Leukotrienes in Innate Immunity: Still Underappreciated after All These Years?[J]. J Immunol, 2023,210(3):221-227.DOI:10.4049/jimmunol.2200599.

 [9] McMillan S J, Xanthou G, Lloyd C M. Manipulation of allergen-induced airway remodeling by treatment with  anti-TGF-beta antibody: effect on the Smad signaling pathway[J]. J Immunol, 2005,174(9):5774-5780.DOI:10.4049/jimmunol.174.9.5774.

[10] Lee C G, Homer R J, Zhu Z, et al. Interleukin-13 induces tissue fibrosis by selectively stimulating and activating  transforming growth factor beta(1)[J]. J Exp Med, 2001,194(6):809-821.DOI:10.1084/jem.194.6.809.

[11] Hancox R J, Pavord I D, Sears M R. Associations between blood eosinophils and decline in lung function among adults  with and without asthma[J]. Eur Respir J, 2018,51(4).DOI:10.1183/13993003.02536-2017.

[12] Park H Y, Chang Y, Kang D, et al. Blood eosinophil counts and the development of obstructive lung disease: the  Kangbuk Samsung Health Study[J]. Eur Respir J, 2021,58(4).DOI:10.1183/13993003.03823-2020.

[13] Tan W C, Bourbeau J, Nadeau G, et al. High eosinophil counts predict decline in FEV(1): results from the CanCOLD study[J]. Eur Respir J, 2021,57(5).DOI:10.1183/13993003.00838-2020.

[14] Kerkhof M, Voorham J, Dorinsky P, et al. Association between COPD exacerbations and lung function decline during maintenance therapy[J]. Thorax, 2020,75(9):744-753.DOI:10.1136/thoraxjnl-2019-214457.

[15] Xu X, Yu T, Dong L, et al. Eosinophils promote pulmonary matrix destruction and emphysema via Cathepsin L[J]. Signal Transduction and Targeted Therapy, 2023,8(1):390.

[16] Yeung J, Hawley M, Holinstat M. The expansive role of oxylipins on platelet biology[J]. J Mol Med (Berl), 2017,95(6):575-588.DOI:10.1007/s00109-017-1542-4.

[17] Thomas M R, Storey R F. The role of platelets in inflammation[J]. Thromb Haemost, 2015,114(3):449-458.DOI:10.1160/TH14-12-1067.

[18] Yun S H, Sim E H, Goh R Y, et al. Platelet Activation: The Mechanisms and Potential Biomarkers[J]. Biomed Res Int, 2016,2016:9060143.DOI:10.1155/2016/9060143.

[19] Rubenstein D A, Yin W. Platelet-Activation Mechanisms and Vascular Remodeling[J]. Compr Physiol, 2018,8(3):1117-1156.DOI:10.1002/cphy.c170049.

[20] Kusanto B, Gordon A, Naylor-Adamson L, et al. Practical Considerations of Dissolved Oxygen Levels for Platelet Function under  Hypoxia[J]. Int J Mol Sci, 2021,22(24).DOI:10.3390/ijms222413223.

[21] Marathe G K, Chaithra V H, Ke L Y, et al. Effect of acyl and alkyl analogs of platelet-activating factor on inflammatory  signaling[J]. Prostaglandins Other Lipid Mediat, 2020,151:106478.DOI:10.1016/j.prostaglandins.2020.106478.

[22] Liang L S, Mo Y, Zhang Z Y, et al. [Progress in platelets and chronic obstructive pulmonary disease][J]. Zhonghua Jie He He Hu Xi Za Zhi, 2022,45(10):1050-1054.DOI:10.3760/cma.j.cn112147-20220425-00349.

[23] Mallah H, Ball S, Sekhon J, et al. Platelets in chronic obstructive pulmonary disease: An update on pathophysiology  and implications for antiplatelet therapy[J]. Respir Med, 2020,171:106098.DOI:10.1016/j.rmed.2020.106098.

[24] Sulimai N, Lominadze D. Fibrinogen and Neuroinflammation During Traumatic Brain Injury[J]. Mol Neurobiol, 2020,57(11):4692-4703.DOI:10.1007/s12035-020-02012-2.

[25] Miller B E, Tal-Singer R, Rennard S I, et al. Plasma Fibrinogen Qualification as a Drug Development Tool in Chronic Obstructive  Pulmonary Disease. Perspective of the Chronic Obstructive Pulmonary Disease  Biomarker Qualification Consortium[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2016,193(6):607-613.DOI:10.1164/rccm.201509-1722PP.

[26] Zhou B, Liu S, He D, et al. Fibrinogen is a promising biomarker for chronic obstructive pulmonary disease:  evidence from a meta-analysis[J]. Biosci Rep, 2020,40(7).DOI:10.1042/BSR20193542.

[27] 郝瑞清, 吴雨珊, 李知衡, 等. AECOPD患者微生物类型及CRP、PCT、WBC研究进展[J]. 临床肺科杂志, 2019,24(7):1325-1328.DOI:10.3969/j.issn.1009-6663.2019.07.042.

[28] Mohan M, Parthasarathi A, S K C, et al. Fibrinogen: A Feasible Biomarker in Identifying the Severity and Acute  Exacerbation of Chronic Obstructive Pulmonary Disease[J]. Cureus, 2021,13(8):e16864.DOI:10.7759/cureus.16864.

[29] Hu G, Wu Y, Zhou Y, et al. Prognostic role of D-dimer for in-hospital and 1-year mortality in exacerbations of COPD[J]. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis, 2016,11:2729-2736.DOI:10.2147/COPD.S112882.