中性粒细胞型哮喘患者的气道炎症与小气道重构分析
盖晓燕1, 常春1,, 王娟1, 梁瀛1, 李美娇2, 孙永昌1, 贺蓓1, 姚婉贞1
1. 北京大学第三医院 呼吸内科, 北京 100191
2. 北京大学第三医院 放射科, 北京 100191
摘要

目的: 研究支气管哮喘(哮喘)患者的气道炎症表型分布,分析中性粒细胞哮喘表型的炎症标志物和临床特征,以及肺小血管和小气道重构指标。方法: 采用横断面研究方法,选择北京大学第三医院呼吸内科2015年1月至12月完成诱导痰细胞学检查的患者63例,收集一般资料,记录哮喘控制测试(ACT)结果和肺功能,分析患者的诱导痰细胞计数及分类、诱导痰活化基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase-9, MMP-9)水平,血清瘦素、IgE、骨膜素及TGF-β1水平,分析肺CT肺小血管横截面积及小气道横截面积。结果: 哮喘患者的气道炎症表型分布为嗜酸粒细胞型22例(34.9%),中性粒细胞型22例(34.9%), 混合细胞型15例(23.8%),寡细胞型4例(6.3%)。中性粒细胞型哮喘与嗜酸性粒细胞型相比,痰活化MMP-9水平显著增高[179.1(74.3,395.5) vs. 50.5(9.7,225.8), P<0.05]。痰中性粒细胞计数与第一秒用力呼气量占预测值百分比(predicted percentage of forced expiratory volume in the 1st second, FEV1%pred)呈显著负相关( r=-0.304, P<0.05), 与痰活化MMP-9水平成显著正相关( r=0.469, P<0.05),与小气道校正壁厚呈相关趋势( r=0.533, P=0.06)。痰活化MMP-9水平与FEV1%pred呈负相关( r=-0.281, P<0.05),与小气道校正壁厚呈相关趋势( r=0.612, P=0.06),与校正管径面积呈正相关( r=0.636, P<0.05)。外周血中性粒细胞计数与痰中性粒细胞计数呈正相关( r=0.355, P<0.05),与痰MMP-9水平呈正相关( r=0.330, P<0.05)。结论: 哮喘患者气道中性粒细胞数量与肺功能相关,中性粒细胞可能通过释放MMP-9加重小气道重构;痰中性粒细胞计数与外周血中性粒细胞计数相关,有可能作为判断炎症亚型的替代物。

关键词: 中性粒细胞型哮喘; 诱导痰; 气道炎症; 气道重构; 计算机断层扫描
中图分类号:R562.2+5 文献标志码:A 文章编号:1671-167X(2018)04-0645-06
Airway inflammation and small airway wall remodeling in neutrophilic asthma
GAI Xiao-yan1, CHANG Chun1,, WANG Juan1, LIANG Ying1, LI Mei-jiao2, SUN Yong-chang1, HE Bei1, YAO Wan-zhen1
1.Department of Pulmonary and Critical Care Medicine, Peking University Third Hospital, Beijing, 100191, China
2. Department of Radiology, Peking University Third Hospital, Beijing, 100191, China
△ Corresponding author's e-mail, doudou_1977@163.com
Abstract

Objective: To investigate the distribution of airway inflammation phenotype in patients with bronchial asthma (asthma), and to analyze clinical characteristics, inflammatory cytokines, pulmonary small vessels remodeling and small airway wall remodeling in patients with neutrophilic asthma.Methods: Sixty-three patients with asthma were enrolled from January 2015 to December 2015 in Peking University Third Hospital. Clinical data including gender, age, body mass index (BMI), pulmonary function tests (PFTs), asthma control test (ACT) were recorded. All the patients underwent sputum induction. The cellular composition of the sputum was evaluatedand the concentration of active MMP-9 in the sputum tested. Blood routine tests were done and the concentration of IgE, periostin, and TGF- beta1 levels were measured in serum by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Small airway wall remodeling was measured in computed tomography (CT) scans, as the luminal diameter, luminal area, wall thickness and wall area % adjusted by body surface area (BSA) at the end of the 6th generation airway, in which the inner diameter was less than 2 mm. Small vascular alterations were measured by cross-sectional area (CSA), and the total vessel CSA < 5 mm2 was calculated using imaging software.Results: The distributions of airway inflammatory phenotypes of the asthmatic patients were as follows: neutrophilic asthma (34.9%, 22/63), eosinophilic asthma (34.9%, 22/63), mixed granulocytic asthma (23.8%, 15/63), and paucigranulocytic asthma (6.3%, 4/63). The neutrophilic subtype patients had a significantly higher active MMP-9 level in sputum compared with the eosinophilic phenotypepatuents, as 179.1 (74.3, 395.5) vs. 50.5 (9.7, 225.8), P<0.05. Sputum neutrophil count was negatively correlated with FEV1%pred ( r=-0.304, P<0.05), and positively correlated with active MMP-9 level in sputum ( r=-0.304, P<0.05), and positive correlation trend with airway wall thickness ( r=0.533, P=0.06). There was a significantly negative correlation of active MMP-9 level in sputum with FEV1%pred ( r=-0.281, P<0.05), in positive correlation with small airway wall area (%)( r=0.612, P<0.05), and inpositive correlation trend with airway wall thickness ( r=0.612, P=0.06). Neutrophils count in peripheral blood was positively correlated with neutrophil counts in sputum.Conclusion: Neutrophil count in airway is related to lung function in asthmatic patients. Neutrophils may accelerate small airway wall remodeling through the release of active MMP-9. Neutrophil count in peripheral blood is related to neutrophils count in sputum, which may be used as a substitute for evaluating inflammatory phenotype.

Key words: Neutrophilic asthma; Induced sputum; Airway inflammation; Airway wall remodeling; Computed tomography

支气管哮喘是由多种细胞和组分参与的气道慢性炎症性疾病, 其主要特征是气道炎症、气道高反应性和气道重塑。气道炎症是气道高反应性和气道重塑的基础, 哮喘患者存在不同的气道炎症表型。嗜酸粒细胞型哮喘(eosinophilic asthma, EA)的发病机制较为明确, 对激素治疗反应较好。中性粒细胞型哮喘(neutrophilic asthma, NA)占哮喘总数近50%, 往往病情控制不佳, 对激素治疗反应差[1], 而中性粒细胞哮喘气道炎症和气道重构的机制仍不明确, 近年有研究提示中性粒细胞哮喘患者小气道炎症加重[2], 但中性粒细胞对小气道重构和小血管重构的影响尚未见报道。本研究旨在分析哮喘中性粒细胞炎症表型者的临床特征、肺功能、炎症因子表达及计算机断层扫描(computed tomography, CT)显示的肺小血管及小气道重构指标。

1 资料与方法
1.1 病例资料

采用横断面研究方法, 纳入从2015年1月至12月在北京大学第三医院门诊就诊的哮喘患者63例, 均符合全球哮喘防治倡议(global initiative for asthma, GINA)提出的哮喘诊断标准[3]。排除标准:(1)哮喘急性加重期, 合并慢性阻塞性肺疾病、支气管扩张症、肺炎、阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征、恶性肿瘤等; (2)合并各种急、慢性呼吸衰竭; (3)合并严重心血管疾病。本研究开始前已经北京大学第三医院伦理委员会批准(批准文号2014071), 受试者均签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 临床资料和标本收集 收集患者一般临床资料、哮喘发病年龄、体重指数(body mass index, BMI)、吸烟情况、哮喘控制水平等。哮喘控制水平用哮喘控制测试(asthma control test, ACT)评分系统和GINA分级进行评估。受试者均行外周血血常规、血清炎症因子检测、诱导痰检测及肺功能检查, 部分患者行螺旋CT扫描。

1.2.2 患者分组 设定气道炎症表型划分标准[4]:痰嗜酸粒细胞≥ 3%, 且中性粒细胞< 61%为嗜酸粒细胞型; 痰嗜酸粒细胞< 3%, 且中性粒细胞≥ 61%为中性粒细胞型; 痰嗜酸粒细胞≥ 3%, 且中性粒细胞≥ 61%为混合细胞型; 痰嗜酸粒细胞< 3%, 且中性粒细胞< 61%为寡细胞型。

1.2.3 诱导痰细胞学和炎症因子测定 诱导痰流程[5]:雾化吸入3%(质量分数)氯化钠溶液20~30 min, 收集痰液, 与等量0.4%(质量分数)二硫苏糖醇(dithiothreitol, DTT)混合, 37 ℃摇床震荡孵育, 离心后留取上清和细胞。细胞涂片用Wright-Giemsa染色低倍镜下痰细胞计数分类。上清液采用荧光分析法测定痰活化基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase-9, MMP-9; R& D Systems Ltd)水平。

1.2.4 肺功能测定 测定肺通气功能, 记录第1秒用力呼气量占预计值百分比(predicted percentage of forced expiratory volume in the 1st second predictive, FEV1%pred)、FEV1与用力肺活量(forced vital capacity, FVC)比值FEV1/FVC。

1.2.5 肺小血管重构指标测定 患者进行胸部CT检查, 64排CT扫描仪(Discovery 750 HD, GE Healthcare, Madison, Wisconsin)。在CT 肺窗(层厚0. 625 mm) 选择3 个层面的图像:主动脉弓上缘1 cm 水平(上肺野), 隆突下1 cm(中肺野), 右下肺静脉下1 cm(下肺野), 用Image J 1.48进行肺小血管横截面积(cross sectional area, CSA)测定, 肺小血管每根血管的横截面积定义为< 5 mm2, 总计3个层面肺小血管总横截面积(CSA< 5), 计算CSA< 5占肺总面积的百分比(%CSA< 5)。

1.2.6 肺小气道重构指标测定 应用Thoracic VCAR的Airway Analysis软件, 选取CT图像上右肺上叶尖段尖分支(B1a)、中叶外侧段外分支(B4a)、下叶后基底段后分支(B10a), 左肺上叶尖后段尖分支(B1+2a)、上叶上舌段前分支(B4b)、下叶后基底段内分支(B10c)共6支, 相当于6级支气管远端分叉前(内径小于2 mm)进行测量, 测量各小气道参数取平均值, 记录气腔直径、气腔面积、气道壁厚、管壁面积、气道壁面积占全肺面积百分比, 除最后一项外, 用体表面积进行校正, 得到校正气腔直径、校正气腔面积、校正气道壁厚、校正管壁面积。

1.2.7 血清学指标检测 抽取空腹静脉血4 mL, 离心后保存上清, 采用酶联免疫吸附试验(ELISA)检测血清中的瘦素(北京四正柏生物科技有限公司)、总IgE(欧蒙医学实验诊断股份公司, 德国)、骨膜素(Ray Biotech公司, 美国)及TGF-β 1(R& D Systems公司, 美国), 操作步骤见说明书。

1.3 统计学分析

应用SPSS 19.0统计软件, 正态分布计量资料以 x̅± s表示, 非正态分布者以中位数(四分位间距)表示。中性粒细胞增高组与嗜酸粒细胞增高组亚组间差异比较采用独立样本t检验(正态分布计量资料)或Man-Whitney检验(非正态分布计量资料)。痰中性粒细胞计数及血中性粒细胞计数与各主要指标的相关性、痰MMP-9水平与各主要指标的相关性, 均采用Spearman相关分析。P< 0.05认为差异有统计学意义。

2 结果
2.1 一般资料

入组的63例哮喘患者中男性20例, 女性43例, 平均年龄(47.1± 17.6)岁; ACT评分18.4± 5.8; FEV1%pred为(90.1± 18.6)%, FEV1/FVC为72.0± 11.2 (表1)。4种炎症细胞亚型的病例数:嗜酸粒细胞型22例(34.9%), 中性粒细胞型22例(34.9%), 混合细胞型15例(23.8%), 寡细胞型4例(6.3%)。20例患者进行了胸部CT小血管重构和小气道重构的测定。

2.2 中性粒细胞亚型组与嗜酸粒细胞亚型组哮喘患者的比较

中性粒细胞亚型组男性比例更高, 吸烟者比例更高, 外周血中性粒细胞比例明显升高, 外周血嗜酸性粒细胞比例明显减低, 痰活化MMP-9水平显著增高。两组在年龄、BMI、FEV1%pred、FEV1/FVC差异均无统计学意义; 血清瘦素、骨膜素、TGF-β 1水平在两组间差异无统计学意义(表1)。

表1 哮喘患者临床资料 Table 1 Clinical characteristics of neutrophilic asthmatic and eosinophilic asthmatic patients
2.3 痰中性粒细胞计数与各临床指标、炎症因子和肺小气道指标的相关性分析

Spearman相关分析结果显示, 痰中性粒细胞计数与FEV1%pred呈负相关(r=-0.304, P=0.016)、与痰活化MMP-9水平呈显著正相关(r=0.469, P=0.001), 与小气道校正壁厚呈正相关趋势(r=0.533, P=0.061)。与其他临床指标、血清瘦素、骨膜素、TGF-β 1、小气道和%CSA< 5表达水平的相关性不存在统计学意义(表2)。

表2 痰中性粒细胞计数与主要临床指标的相关性 Table 2 Correlations between sputum neutrophil count with clinical and functional data
2.4 外周血中性粒细胞与各临床指标、炎症因子和肺小气道指标的相关性分析

Spearman相关分析结果显示, 外周血中性粒细胞计数与痰白细胞计数呈正相关(r=0.355, P =0.011), 与痰中性粒细胞计数呈正相关(r=0.369, P =0.008), 与痰活化MMP-9水平呈正相关(r=0.330, P=0.035), 与其他各临床指标及肺小血管和小气道指标的相关性不存在统计学意义(表3)。外周血中性粒细胞百分比与其他各临床指标、血清学和痰炎症因子表达水平, 以及肺小血管和小气道指标的相关性不存在统计学意义。

表3 外周血中性粒细胞计数与主要临床指标的相关性 Table 3 Correlations between blood neutrophil count with clinical and functional data
2.5 痰活化MMP-9水平与各临床指标、小血管重构和小气道重构的相关性分析

痰活化MMP-9水平与FEV1%pred呈负相关(r=-0.281, P=0.048), 与胸部CT小气道校正壁厚呈相关趋势(r=0.612, P =0.060), 与校正管径面积呈显著正相关(r=0.636, P =0.048), 与其他临床指标、血清瘦素、骨膜素、TGF-β 1和肺小血管指标的相关性不存在统计学意义(表4)。

表4 痰活化MMP-9水平与各指标的相关性分析 Table 4 Correlations between active MMP-9 level in sputum with clinical and functional data
3 讨论

既往认为[6], 痰嗜酸粒细胞增多是哮喘气道炎症的特征之一, 但近年发现部分患者嗜酸粒细胞并未升高, 且近50%的哮喘存在以中性粒细胞浸润为主的气道炎症, 甚至在哮喘恶化和持续期, 升高的也是中性粒细胞。国内外文献主要依据患者痰液内的中性粒细胞计数持续(至少有2次)占有核非鳞状细胞的百分比大于一定临界值(61%~76%), 或大于500× 104/mL(即大于90%百分位数法)判断为中性粒细胞哮喘[7]。中性粒细胞哮喘也可能与重症哮喘及激素疗效差的哮喘等密切相关[8]。中性粒细胞哮喘的气道重构的机制目前尚未明了, 因此本研究旨在对中性粒细胞哮喘患者的血清和痰上清中的若干炎症因子进行检测, 分析炎症表型与肺小血管重塑和小气道重构的关系, 并进行机制探讨。

本研究结果显示, 根据哮喘患者诱导痰炎症细胞分类区分炎症表型, 其中嗜酸粒细胞亚型占34.9%, 中性粒细胞亚型占34.9%, 混合细胞型占23.8%, 寡细胞型占6.3%, 本研究的中性粒细胞亚型哮喘比例较其他研究高。Simpson等[4]报道哮喘患者诱导痰分类中嗜酸性粒细胞亚型占41%, 中性粒细胞亚型占20%, 混合细胞型占31%, 寡细胞型占8%。另外, Schleich等[7]报道中性粒细胞亚型哮喘比例为18%, 不过该研究是以中性粒细胞大于76%为界值。本研究中性粒细胞亚型比例较高可能与参加研究的患者哮喘病情较重、ACT评分高有关。既往也有研究报道哮喘患者中性粒细胞比例与病情严重程度有关[1], 轻症哮喘患者痰中性粒细胞比例低, 而重症哮喘患者痰及肺泡灌洗液中性粒细胞比例升高。

本研究的中性粒细胞亚型组与嗜酸粒细胞亚型组相比, 痰活化MMP-9水平明显升高, 提示痰MMP-9可能有助于区分中性粒细胞哮喘或嗜酸粒细胞哮喘亚型。研究结果还显示, 痰中性粒细胞计数与FEV1%pred呈负相关, 与痰活化MMP-9水平呈显著正相关。痰活化MMP-9水平与胸部CT小气道校正壁厚和校正管径面积呈正相关。本研究前查阅国内外文献, 尚未见痰中性粒细胞及痰MMP-9与内径小于 2 mm的小气道重构关系的报道。

近年来, 有多项对哮喘患者胸部CT的研究, 分析气道重构情况, 与组织病理学检查相比, 因其无创、经济和可重复性而受到欢迎, 研究显示, 哮喘患者尤其重症哮喘患者存在气道重构, CT显示气道壁增厚和管径面积增加[9, 10, 11]。但国内外学者的测量部位不同, 多数研究测量分析3~4级气道, 如右肺上叶尖段支气管或左肺上叶舌段支气管[9], 也有研究测量5~6级气道CT[12, 13, 14], 其气道内径均值均> 2 mm, 尚未见对内径小于2 mm的小气道重构的相关研究。Gupta等[9]研究发现重症哮喘患者痰中性粒细胞计数与CT右肺上叶尖段支气管的管径面积显著相关, 但是否与小气道重构有关尚未见研究报道。考虑到哮喘患者气道重构可以累及各级支气管及细支气管, 故本研究选取哮喘患者CT内径小于2 mm的6级气道远端测量, 选取双肺各肺叶共6支取平均值, 可以更直接地反映哮喘小气道重构。本研究发现痰中性粒细胞计数与肺功能呈负相关, 与之前的研究相符[1], 同时, 痰中性粒细胞计数与小气道壁厚呈相关趋势, 下一步本课题组拟扩大样本量进行更深入分析。

本研究的哮喘患者痰MMP-9水平增高, 且与痰中性粒细胞明显相关, 提示MMP-9是中性粒细胞炎症的产物, 这与既往的研究结果相符[15, 16, 17, 18]。哮喘患者尤其是重症哮喘患者气道黏膜、痰液及肺泡灌洗液MMP-9表达增多, 且主要在中性粒细胞中表达增多[15, 16, 17]。Ventura等[18]分离过敏性哮喘患者的中性粒细胞, 体外进行过敏原激发, 发现中性粒细胞接触过敏原后释放MMP-9水平增高, 进一步证实了中性粒细胞通过释放MMP-9参与哮喘发病过程。Barbaro等[19]测定60例哮喘的呼出气MMP-9水平, 与正常对照组相比, MMP-9水平明显升高, 而且中性粒细胞增多的重症哮喘组MMP-9水平显著升高, MMP-9水平与肺功能FEV1有显著相关性, 提示MMP-9可能是参与中性粒细胞哮喘的气流受限及气道重构的重要炎症因子。

本研究结果显示, 痰活化MMP-9水平与肺CT小气道校正壁厚和校正管径面积呈负相关, 说明气道MMP-9水平越高, CT测量6级气道远端内径小于2 mm的小气道管壁越厚、管壁比例越高, 提示MMP-9参与了哮喘小气道重塑。因为MMP-9是中性粒细胞分泌的, 这也更好地解释了为什么痰中性粒细胞增高的患者肺功能更差。另外, 使用CT定量肺小血管横截面积测定肺小血管, 是近年研究血管重塑的一种新手段[20]。本研究未见肺小血管重构, 可能与样本量小有关, 本课题组拟扩大样本量继续深入研究。

目前临床上尚无简单易测的可以预测中性粒细胞亚型哮喘的生物标记物。有研究认为外周血代表的系统性炎症无法预测痰中性粒细胞亚型[7], 诱导痰中炎症细胞水平能较外周血中的炎症细胞更好地反映气道炎症的本质, 更有利于作为判断气道炎症的标志物, 故很多学者尝试用诱导痰进行气道炎症的分析, 而诱导痰操作及后期标本处理较为复杂, 且患者有不适感, 在临床难以常规开展。本研究发现, 外周血中性粒细胞与痰中性粒细胞呈正相关, 提示外周血中性粒细胞计数可能可以提示中性粒细胞哮喘。从生理过程分析, 粒细胞自骨髓起源, 经过血循环, 在IL-8、中性粒细胞弹性蛋白酶作用下于气道中募集, 循环中的中性粒细胞数量可能与气道中的中性粒细胞具有相关性。另外, 本研究的数据亦显示痰中性粒细胞计数与肺功能、痰活化MMP-9水平呈正相关, 与小气道校正壁厚有正相关趋势, 而外周血中性粒细胞计数虽与痰白细胞计数呈正相关, 但与肺小血管和小气道指标的相关性不存在统计学意义, 这又提示, 循环中性粒细胞的数量可能不是单一的影响因素, 酶的活性以及中性粒细胞的活化状态, 可能也是参与气道炎症的重要影响因素, 中性粒细胞哮喘的生物标记物仍有待于进一步研究。

综上所述, 哮喘患者气道中性粒细胞数量与肺功能相关, 中性粒细胞可能是通过活化表达MMP-9增多, 加重小气道重构。外周血中性粒细胞表达可能可以预测哮喘炎症表型。

(本文编辑:王 蕾)

The authors have declared that no competing interests exist.

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