急性呼吸窘迫综合征的生物标志物
急性呼吸窘迫综合征的生物标志物
常德市第一中医医院ICU 邓彪
重症行者翻译组
综述目的
本文概述了急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的蛋白质生物标志物及其在未来临床试验中的潜在应用。
最近研究发现
作为ARDS发病过程中生物过程的指标而研究的蛋白质生物标志物可能具有诊断和/或预后价值。最近，在对已完成的临床试验进行的回顾性分析中，它们还被证明有助于确定ARDS的表型和评估治疗效果的异质性。
总结
本文总结了目前ARDS生物标志物的研究情况，并对在未来的临床试验中如何将其整合为预后和预测的富集工具提出了见解。
引言
急性呼吸窘迫综合征(ARDS)是一种严重的急性炎症性肺损伤和肺泡水肿，与高死亡率有关，对幸存者的身体和认知有重要影响。ARDS具有明显的临床和病理生理异质性，导致诊断不足和治疗不足。因此，ARDS管理、治疗和预防的一个关键挑战仍然是为ARDS建立一个协商一致的临床定义，以解决这种异质性。生物标志物的使用可以为ARDS的病理生理机制提供重要启示，并有助于诊断、风险分层和确定候选治疗靶点。此外，生物标志物在识别具有共同生物学特征的患者亚组（或表型）方面至关重要，这些特征在回顾性分析中具有预测和治疗意义，并为ARDS异质性提供更好的病理生理理解。
在这篇文章中，我们回顾了目前在ARDS患者或有ARDS风险的患者中使用蛋白质生物标志物进行诊断、预后和表型评估的情况，并提出了在未来精准ARDS试验中使用生物标志物进行预测和/或预后富集的策略。
急性呼吸窘迫综合征的生物标志物：从发病机制到 诊断和风险分层
最近的综述总结了蛋白质生物标志物的研究如何为ARDS的病理生理机制提供了重要的见解。这些包括肺泡-毛细血管屏障的破坏（通过肺水肿液中蛋白水平的升高来评估）、过度的炎症反应以及通过测量受损肺泡液清除率或肺泡上皮细胞损伤的特定标记物（例如。表面活性蛋白D[SP-D]和晚期糖基化终产物受体的可溶性形式[sRAGE]）。在本文中，我们将重点讨论血浆生物标志物如何为ARDS患者的诊断和风险分层提供信息，同时也减少异质性，并为评估ARDS临床试验中治疗效果的异质性提供工具。
急性呼吸窘迫综合征诊断的生物标志物
RAGE在肺泡上皮1型细胞上表达丰富；在肺上皮损伤的背景下， 该多配体受体的胞外结构域被释放。ARDS患者血浆sRAGE水平升高，与肺损伤严重程度和肺泡液清除障碍程度有关。在发生ARDS的创伤患者中，血浆sRAGE也增加，并与ARDS诊断有关。ICU入院时血浆sRAGE高，也可以在至少有一个临床ARDS危险因素的患者中识别出可能发生ARDS的患者。ARDS患者血浆SP-D水平（肺上皮损伤的另一个标志物）也会增加。
血浆血管生成素-2(Ang-2)升高，是肺泡内皮屏障功能障碍的标志，对机械通气或因创伤入院的ICU患者ARDS的发展具有预测价值。值得注意的是，当结合临床肺损伤预测评分（LIPS）时，血浆Ang-2的预测性能有所提高。其他对ARDS诊断有潜在价值的血浆生物标志物包括von Willebrand因子（vWF）（内皮损伤的另一个标志物）和促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子-a（TNF-a）、白细胞介素（IL）-6和IL-8。结合多种生物标志物也具有诊断价值，包括sRAGE、Ang-2、IL-8、IL-10、TNF-a、原胶原蛋白肽III和脑钠肽或sRAGE、SP-D、IL-6、IL-8和club细胞分泌蛋白的面板在ARDS诊断中表现出比单独测量每种生物标志物更好的性能。
急性呼吸窘迫综合征危险分层的生物标志物
血浆SP-D、vWF、可溶性肿瘤坏死因子受体I和II（sTNFrI；sTNFr2）、可溶性细胞间粘附分子-1（sICAM-1）和纤溶酶原激活物抑制物-1（PAI-1）水平升高均与ARDS的不良预后独立相关。高血浆sRAGE水平与ARDS患者肺损伤严重程度增加、呼吸机上机天数和死亡率增加有关。对8项研究中的患者数据进行的荟萃分析证实，高基线血浆sRAGE和较高的90天ARDS死亡率之间独立相关。其他与死亡率相关的ARDS生物标志物包括Ang-2、IL-6、IL-8、IL-4、IL-2和涎液化糖链抗原-6。低水平的内源性抗凝血蛋白C也与死亡率增加和呼吸机上机天数增加有关。而高血浆IL-2受体和降钙素原水平分别与未筛选的ARDS患者和社区获得性肺炎引起的ARDS患者的死亡率增加有关。
结合多个临床变量和生物标志物的模型已经应用并用来改善风险分层。例如，在对以前参加ARDS网络ALVEOLI试验的患者进行的二次分析中，一个结合了6个临床变量和8个生物标志物的模型比仅基于临床变量或仅基于生物标志物的模型在预测死亡率方面效果更好。结合两个临床变量（年龄，APACHE III）和两个生物标志物（SP-D，IL-8）的简化模型也具有良好的性能，随后在另外三个队列中得到验证。
用生物标志物丰富未来的临床试验
ARDS是一种临床和生物学上复杂的异质性综合征，其基本病因多种多样，包括直接损伤肺部的病因（如病毒性或细菌性肺炎、胃内容物吸入）和间接损伤肺部的非肺部病因（如非肺部脓毒血症、严重外伤、输血液制品）。在ARDS中，大多数随机临床试验未能改善患者的预后，这可能是由于这种异质性所致；仍然需要更好地确定新疗法的目标患者亚组。在此背景下，生物标志物可用于了解临床试验人群的异质性，并作为未来试验中的富集策略。确定生物标志物衍生方法应如何整合，以改善未来的ARDS研究仍然是一个重大挑战。
急性呼吸窘迫综合征亚型鉴定
生物标志物的使用在解决ARDS异质性方面已经是至关重要 例如，二次临床分析显示，与肺间接损伤引起的ARDS患者相比，肺直接损伤引起的ARDS患者具有较高的肺上皮损伤（通过血浆sRAGE和SP-D评估）和较低的肺内皮损伤（通过血浆Ang-2评估）和炎症（通过血浆vWF、IL-6和IL-8评估）。潜类别分析（LCA）也被用于研究ARDS的异质性。这种新方法是无偏见的，对于不同潜在疾病引起的异质性急性呼吸窘迫综合征患者群体中是否存在不同的生物学亚群，不作任何先验假设。在对多个临床试验队列的二次分析中，LCA均一致确定了以生物标志物和临床特征的特定组合为特征的不同的ARDS表型。大约三分之一的患者出现了 '高炎症 '表型，血清中的炎症标志物水平升高，而其余患者则出现了 '低炎症 '表型。高炎症型的死亡率较高，无呼吸机天数也较多，这一点在另外三项临床试验的二次分析中得到了进一步验证。这些分子表型可以通过三种生物标志物模型(血浆IL-8、sTNFr和血清碳酸氢盐)可靠地鉴定出来。最近还验证了简约三变量模型（IL-8，蛋白C和碳酸氢盐）和四变量模型（三变量以及血管加压药的使用）用于表型分类。初步研究还表明，在SARS-CoV-2感染导致的ARDS患者中也可以发现这些表型。Bos等人通过对来自MARS队列的数据进行聚类分析，证实了ARDS的两种分子表型的存在；这些表型可以通过不同的血清IL-6，Ang-1 / 2，PAI-1和干扰素-γ水平来区分。外周血白细胞中的基因表达谱用于评估这些表型的不同生物学特性，包括在高炎症（或“反应性”）亚组中氧化磷酸化或线粒体功能障碍的通路上调。
有趣的是，将这些分析方法应用于有发展为ARDS风险的患者，发现有临床危险因素的ICU患者与择期腹部手术术后肺部并发症风险增加的患者存在相似的炎症表型。
治疗效果和富集策略的异质性
“治疗效果异质性”的概念可归因于不同表型之间治疗反应的变异性。蛋白质生物标志物可以帮助克服这个问题，并促进在 '丰富 '试验中基于生物标志物选择目标患者。前瞻性富集包括预测和预后富集策略。预测性富集的总体目标是为具有共同生物特征的个体提供个性化治疗，而不是寻找适用于所有人的治疗方法。利用预测性富集的试验招募了一个更小、更均匀的亚组，更有可能对针对特定生物机制的干预措施作出反应。
预后富集的总体目标是确定更有可能出现相关结果（如死亡率）的患者子集，可以选择这些患者来提高检测治疗干预措施获益的能力。这些富集策略可用于指导选定患者的入组，例如预后最有可能发生或对既定治疗产生反应的患者。
生物标记物可能对预后、预测或两种形式的富集有用。例如，严重低氧血症对于ARDS患者的预后(死亡风险更高)和预测性(俯卧位反应更好)富集都具有价值。
通过对LCA识别表型的回顾性分析，在已完成的临床试验范围内报告了治疗反应性亚组。
对治疗ARDS的两种水平呼气末正压(PEEP)的ALVEOLI试验的二次分析显示，暴露于较高与较低PEEP下的高炎症表型患者的90天死亡率下降(从50%到40%)。相反，当较高水平的PEEP用于低炎症表型时，死亡率较高，尽管最初的试验没有发现差异。同样，在ARDS的液体和导管治疗试验(FACTT)中，采用自由而非保守的液体策略，高炎症表型的ARDS死亡率较低，而最初的试验发现，液体策略对死亡率没有影响，保守的液体策略有更多的无呼吸机天数。在ARDS中辛伐他汀的HARP-2试验的二次分析中，辛伐他汀也报道有类似的不同作用。最初的试验发现辛伐他汀和安慰剂在临床结果上没有差异，而二次分析显示辛伐他汀在高炎症表型中有更好的生存率，但在低炎症表型患者中治疗反应没有差异。综上所述，炎症性ARDS表型在临床试验队列的二次分析中已被持续发现，并作为预测和预后富集的工具，具有很大的应用前景。但是，现在应该对它们进行前瞻性验证，并且仍然需要快速的生物标志物测量方法，以便将其实际纳入将来的富集试验中（请参阅下面的挑战和局限性部分）。
其他ARDS表型也已被描述，如根据肺部计算机断层扫描(CT)中明显的通气损失程度来描述局灶性和非局灶性ARDS的放射学表型。放射学表型被认为可以识别不同肺生理的患者，其对机械通气可能有不同的反应。一项法国前瞻性观察性多中心研究显示，与局灶性ARDS相比，放射性非局灶性ARDS的血浆sRAGE和PAI-1水平更高。非局灶性ARDS也与死亡率增加和肺泡液清除损伤加重相关，提示sRAGE可以和ARDS影像学表型关联。在ARDS(LIVE)试验中，多中心随机对照肺成像对400例中度重度ARDS患者的不同机械通气策略进行了评价。在主要终点的意向性治疗分析中未观察到90天死亡率的组间差异。然而，预先指定的事后分析显示，在随机分配时，21%的放射学表型被错误分类。据报道，在非局灶性ARDS中，血浆sRAGE比局灶性ARDS高，现在评价血浆sRAGE的测量是否可以改善未来试验中的 '实时 '放射成像表型是很有意思的。
目前，另一种预测性富集的方法正在研究中重度ARDS患者在发病后第5天至第14天之间未得到解决。在这里，肺纤维增生的标记物，升高的BAL前胶原III，被用作前胶原-3驱动的糖皮质激素治疗持续性急性呼吸窘迫综合征(ProCoCo)的多中心随机对照试验甲基强的松龙与安慰剂(ClinicalTrials.gov标识:NCT03371498)的进入标准。
综上所述，预测性和预后性的富集策略都可以提高随机对照试验的效率，增加在更有可能出现相关结果的患者中检测到靶向治疗干预的有益效果的可能性。表1和图1总结了已在ARDS高危患者和ARDS患者中评估的主要血浆蛋白生物标志物，及其未来富集临床试验的潜在应用。
挑战与局限
遗憾的是，将生物标志物驱动的策略纳入ARDS管理的研究很少，但除了将其作为富集工具外，还应该进一步评估生物标志物的全部潜力。生物标志物的一个主要潜在应用是确定未来干预试验中的生物途径。例如，测量血浆sRAGE可用于选择肺上皮损伤增加的患者，这些患者可能受益于上皮靶向疗法，如β-受体激动剂、角质细胞生长因子或抗RAGE疗法，以预防或治疗ARDS。相反，具有明显肺内皮损伤（如通过血浆Ang-2评估）的ARDS患者可能会从候选疗法（如重组Ang-1）中更多地受益，这些疗法以内皮为靶点。
理想情况下，生物标志物应有助于监测肺损伤的进展或修复，以及ARDS的治疗反应。例如，使用肺保护，小潮气量通气策略与血浆肺上皮损伤标志物SP-D和sRAGE的减少（或更小的增加）有关。最近的一份初步报告对之前纳入LIVE试验的患者纵向sRAGE血浆水平进行了二次分析，发现ARDS发病后第一周血浆sRAGE的变化与90天生存率之间存在关联。类似地，最大肺复张策略（具有较高的PEEP和重复复张操作）与血浆sRAGE水平升高相关，表明在局灶性ARDS中这种策略导致肺泡上皮损伤增加。因此，血浆sRAGE作为监测ARDS患者对呼吸机设置反应的替代指标可能具有潜在价值。这些方法值得在前瞻性临床研究中进一步验证，因为它们有望开发出对特定表型有效的新型精准疗法。
ARDS试验的生物标志物驱动方法的主要局限性包括迫切需要对以前研究的二次分析中描述的大多数表型进行前瞻性验证。由于缺乏在床边评估候选生物标志物的即时检验分析方法，也限制了目前基于生物标志物的实时富集策略的应用。急性呼吸窘迫综合征鉴定表型的即时检验的临床评价（PHIND）研究目前正在招募ARDS患者，利用血清IL-6和sTNFr1（ClinicalTrials.gov Identifier：NCT04009330）的新型POC检测，前瞻性地鉴定高炎症和低炎症表型。这种POC法最近被用于鉴定2019年冠状病毒疾病(COVID-19)引起的ARDS患者的表型)。
ARDS的高炎症和低炎症表型可能是由遗传和/或环境因素驱动的，这值得进一步研究。这篇综述只关注血浆蛋白生物标志物，因为它们已经被研究得最多；然而，肺泡生物标志物的测量，以及遗传变异、DNA甲基化、转录组学或代谢组学的研究，在应对ARDS精准医学的挑战方面也可能非常重要。特别是，检查呼出的气体作为可作为ARDS生物标志物的挥发性有机化合物的来源，或测量从热湿交换过滤器（机械通气患者常用）收集的液体中的生物标志物，代表着对ARDS患者远端空气空间取样的有希望的、非侵入性的方法。然而，这些方法及其在ARDS管理中的潜在价值还需要进一步评估。
结论
生物标志物研究在阐明急性肺损伤和修复的病理生物学方面具有广阔的前景，蛋白质生物标志物已被用于ARDS的诊断和危险分层研究。一些生物标志物，如促炎细胞因子和肺上皮和内皮损伤的标志物，可以帮助建立ARDS患者表型和确定潜在的生物治疗目标。众多的挑战依然存在，但最近在生物标志物研究和试验设计方面的进展为利用生物标志物促进未来ARDS临床试验中更加个性化的方法提供了机会。
