生物标志物在慢性阻塞性肺疾病(COPD)诊断、判断疾病严重程度、评估预后、预测药物临床疗效和了解疾病病理生理中有重要作用。目前涉及COPD患者多种遗传、生化等方面的生物标志物的研究较多，尽管许多研究结果显示差异有统计学意义，但研究中存在的诸多问题限制了生物标志物在临床实践中的应用。本文分析了COPD生物标志物在研究设计、诊断标准方面的局限性。以肺气肿表型生物标志物研究为例，阐述了相关研究的复杂性。并对寻找具有临床指导意义的生物标志物的相关研究提出了建议。
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生物标志物是指可客观测定，并能够评价疾病的病理生理过程和临床诊疗情况的特征性生化指标[1]。生物标志物在COPD诊断、判断疾病严重程度、评估预后、预测药物临床疗效和了解疾病病理生理中有重要作用。近年来，上述领域的研究已成为COPD的研究热点之一。目前已有多项研究证明血嗜酸粒细胞计数可以用来预测吸入糖皮质激素的临床疗效[2,3,4]。并在前瞻性设计的临床试验中得到证实[5]。在慢性阻塞性肺疾病全球倡议(Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease，GOLD)2020中对于血清嗜酸粒细胞计数水平与吸入激素的相关性已有明确推荐[6]。但是，COPD其他的生物标志物在研究设计和结果分析方面还存在诸多问题。尽管有的研究结果显示差异有统计学意义，但应用于临床实践的价值还很有限。本文就目前COPD相关生物标志物的研究所存在的问题进行分析总结，为今后这一领域的进一步深入研究提供参考。
COPD生物标志物研究多采用病例对照研究，设立COPD患者和健康人群2组，希望通过这2组人群的对比找到组间差异。虽然有些生物标志物的研究结果能够显示COPD患者与健康人群之间差异有统计学意义，但往往忽略了一个重要问题，COPD患者与健康人群之间的个体数据相比较，存在较大部分的重叠，导致这些生物标志物作为COPD相应诊断、评估工具的敏感度和特异度大为降低。
COPDGene(n＝2 123)和SPIROMICS(n＝1 117)队列中由于COPD患者的数据分布范围广，离散度大，与对照组的数据存在较大重叠[7]。虽然COPD患者和对照组之间一些生物标志物(例如嗜酸粒细胞趋化因子和IL-6)的水平差异有统计学意义，只有少数COPD患者与对照组数据不同，因而导致这些指标无法作为理想的生物标志物在临床实践中应用。
涉及生物标志物与COPD疾病进展之间关联的研究常为横断面研究。当研究结果差异有统计学意义后，常得出二者之间存在"因果关系"的结论，然而这种因果关系在仔细推敲后往往会有质疑：生物标志物既可能反映了COPD患者存在持续进展的肺损伤(炎症介质的变化作为"原因")，同时也可直接或间接地反映肺损伤本身，从而反映疾病的严重程度(炎症介质的变化可能作为"结果")。
Campos等[8]对α-1抗胰蛋白酶(α-1-antitrypsin，AAT)缺乏症的COPD患者的横断面研究显示，吸烟史和入选研究时第1秒用力呼气容积(forced expiratory volume in the first second，FEV1)数值相匹配的不同年龄组之间比较，年龄最大的COPD队列患者与年龄最小的COPD队列患者相比，前者的肺功能下降更为缓慢。因为每个队列都以相同的速度进展，但年龄最大队列患者在参加本研究前的初始肺功能可能高于年龄最小队列患者；也可能是停止吸烟(所有组别都在>40岁时停止)后疾病进展趋于稳定。年龄较大组患者戒烟时间相对长，肺功能下降相对缓慢。总之，由于没有最初的基线肺功能和纵向的连续FEV1数据，无法准确解释2个队列之间肺功能下降快慢的最终原因。因此，采用横断面研究进行与肺功能相关的任何生物标志物的研究结果都可能反映的是疾病严重程度而不是疾病进展。
众所周知，COPD的诊断标准中的"气流受限"一直基于GOLD推荐的吸入支气管舒张剂后FEV1/FVC<0.7[9]。这一标准中的固定数值对年轻人可能偏低而对老年人可能偏高。处于疾病"早期"阶段的受试者，在疾病对FEV1产生影响之前，小气道可能已经存在显著的病理变化[10]。在达到"疾病肺功能诊断阈值"之前可能已有生理衰退，导致对受试者的疾病进展判断滞后[11]。近期的研究还发现一些未达到COPD诊断标准的患者，也具有类似COPD急性加重的症状和周期性加重，并且胸部CT扫描显示有显著肺气肿[12,13]。因而，有研究者建议在FEV1正常的年轻(<50岁)个体中，"早期COPD"的诊断标准改为CT显示显著肺气肿和记录到FEV1急剧下降[14]。由于缺乏明确的"早期COPD"诊断标准，与早期COPD相关的生物标志物研究相对受限[15]。
COPDGene和SPIROMICS队列中评估了90种生物标志物预测患者急性加重的能力[16]。虽然在每个队列中都发现了有一些生物标志物可以预测急性加重，但队列之间的可重复性较差，这反映出COPD急性加重原因的复杂性和异质性。而目前急性加重的定义本身是需要加强药物治疗的"主观"临床评估，也增加了对急性加重判断的主观性。急性加重病史预测未来急性加重事件的作用已被证实[17]。由于急性加重的异质性，生物标志物对急性加重事件的预测能力超过急性加重病史的可能性很小。在2017年美国呼吸与危重症医学杂志上就有学者发表评论，认为依靠单一的血清生物标志物预测急性加重几乎是不可能的[18]。
对包括ECLIPSE队列在内的5个队列的综合分析表明，血浆纤维蛋白原水平与急性加重病史联合应用能增加对未来急性加重事件发生的预测能力[17]。因而，只有建立以临床和客观指标联合定义的急性加重，预测急性加重的生物标志物的实用性才会得到真正提高。
COPD主要包括慢性支气管炎和肺气肿2种表型。目前针对肺气肿表型的生物标志物研究较多，故以肺气肿相关的生物标志物研究为例，说明这一领域研究的复杂性。
中性粒细胞弹性蛋白酶(neutrophil elastase，NE)在肺气肿的病理生理学中起重要作用。AAT是NE的主要血清抑制剂，AAT缺乏降低了抑制NE的作用，所以这可能是导致肺气肿的途径之一[19]。一方面，NE是一种弹性蛋白分解酶，可破坏弹性蛋白或使弹性蛋白修复失败形成肺气肿样改变，其他潜在的弹性蛋白分解酶，如基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)和半胱氨酸蛋白酶，可使AAT失活，从而间接促进了NE活性[20,21,22,23,24,25]。另一方面，NE通过酶原裂解激活MMPs和半胱氨酸蛋白酶，并使它们的同源抑制剂失活[26]。这形成了一个网络，2种途径之间构成复杂的相互作用最终导致肺气肿的发生[10,27]。蛋白酶生物标志物是病理生理网络的一部分，网络中的稳态机制可以抵消单个生物标志物的变化，并且该生物标志物与疾病进展或组织损伤之间的因果关系也无法准确确定，导致对其解释分析十分复杂。
目前蛋白酶的测量标本主要是痰液和血清。测量痰液中的蛋白酶水平可以反映它对大气道的影响，但不能反映它对间质和小气道的影响。而COPD的主要累及部位为小气道。同样，测量血液循环中的弹性蛋白分解及其产物不能特异反映其在肺部的作用。因为皮肤和心血管系统是弹性蛋白的主要储存部位，分解产物可能只是反映这些部位的细胞脱颗粒、更新或老化的过程，而且涉及多种酶和途径，无法准确定位酶在肺部组织的分解[28,29]。只有通过测定肺部特定的纤维蛋白原或弹性蛋白裂解产物的活性才能反映肺部疾病的进展情况[30,31]。
sRAGE是目前肺气肿表型的最佳炎症相关生物标志物[32]。肺气肿相关的炎症介质产生糖基化终末产物受体(receptor for advanced glycation end products，RAGE)配体与细胞膜RAGE相互作用，激活细胞内途径导致炎症蛋白基因转录，然后与RAGE相互作用形成扩增环。MMPs裂解RAGE释放sRAGE，作为诱饵阻断细胞膜RAGE与其配体的结合，并减少细胞相关的RAGE受体，以上途径认为能减少炎症级联反应。研究显示，肺气肿患者的sRAGE水平降低[33]，且与GOLD严重程度分级相关[34,35]。上述研究认为sRAGE不仅在肺气肿病理生理过程中起重要作用，同时也是疾病严重程度的生物标志物。然而Iwamoto等[33]的研究显示，对照组和COPD组中吸烟者的sRAGE水平都低于不吸烟者，表明吸烟对sRAGE亦有调节作用，而非COPD疾病本身的特异性。sRAGE在COPD的诸多环节如急性加重、细菌定植和合并支气管扩张等炎症过程中的调节作用还不清楚。sRAGE对减缓或阻止肺气肿发展因素(如戒烟)的反应还有待观察。
鉴于COPD组和对照组之间在个体受试者水平上研究数据不可避免的重叠，建议今后的研究增加受试者类型，如增加相匹配的健康吸烟者(目前吸烟)和既往吸烟者在内的多组受试者，以及目前和既往吸烟的COPD患者，并重视对处于"早期COPD"阶段患者的研究。
为正确识别与特定机制相关疾病进展的生物标志物，应对COPD患者进行纵向队列研究。同时需要考虑吸烟等因素的影响，从而确定这种生物标志物在稳定期和疾病进展中随时间的变化规律。
除了急性加重病史，还应该开展预测急性加重的生物标志物来完善急性加重的精准诊断，同时注意急性加重的异质性，如急性加重的原因可以是感染因素，还可以是非感染因素。
反映疾病机制的内型生物标志物在COPD中有广泛应用，从监测疾病进展到识别对治疗敏感的个体或评估药物的药理作用等。但注意对内型(例如：T2/嗜酸性COPD、细菌定植、全身炎症等[36])生物标志物的研究应该在特定的临床表型中进行(例如：频繁急性加重表型、肺功能快速下降表型等)。
目前发表的有关COPD生物标志物的研究在研究设计、标准定义方面存在一定局限性，限制了COPD在临床诊断、监测疾病进展、预测急性加重中的应用。COPD生物标志物研究本身的复杂性也增加了对研究结果的解释分析难度。未来的生物标志物研究需要改进研究设计，完善客观标准的定义，多开展全面深入的纵向队列研究，进而发现更多具有指导临床实践意义的COPD生物标志物。
所有作者声明无利益冲突
