支气管热成形术在重度哮喘症状控制中的预后预测因素

《Journal of Asthma and Allergy》：Prognostic Predictors of Bronchial Thermoplasty for Symptom Control in Severe Asthma

　　摘要
目的：探讨预测重度哮喘患者支气管热成形术（BT）治疗反应的临床生物标志物。

患者与方法：我们前瞻性地招募了接受过三次支气管热成形术治疗的重度哮喘患者。记录了基线人口统计学数据、哮喘控制问卷-5（ACQ5）评分、嗜酸性粒细胞计数、呼出的一氧化氮分数（FeNO）、肺功能测定、脉冲振荡测定（IOS）、支气管内光学相干断层扫描（EB-OCT）以及BT激活次数。所有受试者被随访两年，并根据ACQ5评分改善≥0.5分分为反应者和非反应者。

结果：共纳入30名患者（22名反应者，8名非反应者）。与非反应者相比，反应者的体重、BMI和甘油三酯水平较低，X5值更负，RV/TLC比率较高，III型胶原（COL3）表达量更高，EB-OCT显示的气道腔面积较大且气道壁较薄。接收者操作特征（ROC）分析表明，体重（AUC = 0.759）、BMI（AUC = 0.733）、甘油三酯（AUC = 0.694）、X5（AUC = 0.938）、RV/TLC（AUC = 0.756）、COL3（AUC = 0.846）以及EB-OCT指标（包括第3至6代气道腔面积（Ai3–6）、第7至9代气道腔面积（Ai7–9）和第3至6代气道壁面积百分比（Aw%3–6）具有中等到良好的区分能力（AUC范围：0.761–0.830）。整合BMI、X5和Ai3–6的多变量逻辑模型在预测BT反应方面表现更好（AUC = 0.988）。

结论：基线X5值更负、甘油三酯水平更低、EB-OCT显示的气道壁更薄且腔面积更大、COL3表达量更高（而非BT激活次数）可能有助于识别最有可能从BT中受益的哮喘患者，并可作为其长期疗效的潜在预测因子。

关键词：重度哮喘；支气管热成形术；预测因子；光学相干断层扫描；预后

引言：
哮喘是一种以可逆气流受限为特征的气道疾病，其主要表现为气道重塑和慢性炎症。气道平滑肌（ASM）肥大、黏液腺增生和炎症浸润是导致支气管收缩和哮喘症状的主要原因。值得注意的是，重度哮喘患者有较高的急性发作风险和皮质类固醇相关副作用，给社会经济和医疗保健带来巨大负担。支气管热成形术（BT）作为一种非药物治疗方法，适用于对标准治疗无效的重度哮喘患者。临床研究表明，BT可改善哮喘相关生活质量、减少住院和急诊就诊次数，并降低缓解药物的使用量。然而，并非所有患者都能从中获益，反应率在50%至75%之间。确定BT治疗的潜在预测因子仍是临床实践中的重大挑战。已有多种临床和生物学指标（如FeNO、外周血嗜酸性粒细胞计数、血清IgE水平和ACQ评分）被研究作为与BT反应相关的因素，但它们的预测性能不一致，对临床结果的预测价值有限。同样，肺功能测试（如FEV1、FVC）和高分辨率计算机断层扫描（HRCT）也被探索其与治疗反应的关联，但它们对气道重塑和ASM负担的检测效果不佳。支气管内光学相干断层扫描（EB-OCT）是一种基于低相干干涉测量的新型成像技术，能够生成与HRCT和组织病理学结果高度相关的高分辨率气道形态图像。通过支气管镜工作通道插入的超细探头，EB-OCT可实现活体可视化及对中等至小气道结构（包括腔面积和壁厚度）的定量评估。基于EB-OCT指标，我们可能探索潜在临床生物标志物的组合，以识别BT反应者和非反应者之间的结构差异，从而成为预测和评估BT效果的有希望的工具。

在这项研究中，我们分析了接受BT治疗的重度哮喘患者的临床特征、肺功能、气道形态和炎症标志物，旨在为BT制定更精确的适应症标准，优化患者选择并改善临床结果。

材料与方法：
2017年至2022年间，广州医科大学第一附属医院招募了符合GINA指南定义并接受过三次BT治疗的重度哮喘患者。纳入标准包括：（1）根据GINA指南诊断为重度哮喘，所有病例在最终分析时均回顾性重新评估以符合GINA 2025年的定义；（2）完成全部三次BT治疗；（3）有两年随访数据。排除标准包括：（1）同时患有慢性阻塞性肺疾病（COPD）、支气管扩张症或间质性肺病；（2）哮喘-COPD重叠（ACO）；（3）入组前4周内有活动性呼吸道感染；（4）无法进行肺功能测试。所有参与者在临床稳定状态下被招募。每位患者均接受了肺功能测试（支气管扩张剂测试、IOS、肺容积描记）、诱导痰液分析、支气管内黏膜活检和EB-OCT测量。人口统计学数据、病史、ACQ5评分、FeNO、血清学指标和总BT激活次数均被前瞻性地记录和分析。本研究遵循赫尔辛基宣言进行，所有参与者均提供了书面知情同意书。研究获得了广州医科大学第一附属医院伦理委员会的批准（医学伦理[2014]编号51和[2019]编号K09）。

肺功能测试：
肺功能测定和脉冲振荡测定（IOS）（Masterscreen，Jaeger，Hoechberg，德国）按照国际指南进行。患者被要求在测试前至少8小时停止使用短效支气管扩张剂，至少24小时停止使用长效支气管扩张剂。在吸入400 μg沙丁胺醇前后分别进行肺功能测定，以评估支气管扩张剂反应性，得出支气管扩张剂前后的FEV1和FEV1/FVC等参数。此外，还获得了肺容积指标（包括残余容积（RV）、总肺容量（TLC）和RV/TLC比率。对于IOS，我们记录了5 Hz下的呼吸阻抗（Z5）、共振频率（Fres）、5 Hz和20 Hz下的气道阻力（R5和R20）、气道阻力差（R5-R20）、5 Hz下的电抗（X5）以及电抗面积（AX）。

EB-OCT测量：
EB-OCT成像使用LightLab OCT系统（ILUMIEN OPTIS，Abbott，美国马萨诸塞州韦斯特福德）进行。在支气管镜引导下（B260F，Olympus，日本东京），将0.9毫米的OCT导管插入左右下叶支气管基段（RB7–RB10和LB7–LB10）。生成从第3代到第9代支气管的气道形态三维重建。测量并计算了气道腔面积（Ai）、气道壁面积（Aw）和气道壁面积百分比（Aw% = [Aw/(Ai + Aw)] × 100%）等定量EB-OCT指标。EB-OCT成像在首次BT治疗前一周进行，同时进行支气管内黏膜活检，以确保在任何热成形干预前评估基线气道形态。

支气管热成形术程序：
患者每3周接受一次Alair系统（Boston Scientific，美国马萨诸塞州马尔堡）进行的支气管热成形术治疗。治疗顺序为：先右下叶，后左下叶，最后是上下叶。记录每位患者的总射频激活次数。

免疫组化分析：
在首次BT治疗前一周获取支气管内黏膜活检。通过免疫组化（IHC）评估参与气道重塑和炎症的分子生物标志物表达，包括转化生长因子-β1（TGF-β1）、基质金属蛋白酶-9（MMP-9）、III型胶原（COL3）、M3型胆碱能受体（M3）、α7-烟碱型乙酰胆碱受体（α7nAChR）、乙酰胆碱（ACh）、热休克蛋白70（HSP70）和α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）。使用Image-Pro Plus版本6.0（Media Cybernetics，美国马里兰州罗克维尔）进行定量分析，染色强度表示为归一化到测量组织面积的积分光密度（IOD/mm2）。

随访和BT反应评估：
所有患者在支气管热成形术后接受了两年随访。根据预先定义的BT反应标准（两年时ACQ评分改善≥0.5分），将参与者分为反应者和非反应者。

统计分析：
所有统计分析使用SPSS版本29.0（IBM公司，美国阿蒙克）和R版本4.4.2（R Foundation for Statistical Computing，奥地利维也纳）进行。使用GraphPad Prism版本10.5.0（GraphPad Software，美国加利福尼亚州圣地亚哥）生成带误差棒的条形图。连续变量的正态性使用Shapiro–Wilk检验进行评估。对于正态分布数据，使用Student’s t检验或Welch’s t检验进行组间比较；对于非正态分布数据，使用Mann–Whitney U检验。对于同一组内的纵向比较（基线 vs 两年），根据情况使用配对t检验或Wilcoxon符号秩检验。分类变量使用Fisher’s精确检验进行分析。数据以平均值±标准差（SD）、中位数[四分位数范围（IQR）或n（%）表示。对于缺失数据的变量，使用可用病例分析。

接收者操作特征（ROC）分析用于评估各个参数的区分能力。从可用病例数据中估计曲线下面积（AUC）及其95%置信区间，并通过最大化Youden指数（敏感性 + 特异性 ? 1）确定最佳临界值。为了评估变量组合的附加价值，进行了多变量逻辑回归，并对模型预测概率进行了ROC分析。由于只有30名患者中的21名（16名反应者和5名非反应者）提供了BMI、X5和Ai3–6的数据，因此多变量逻辑模型被视为探索性分析，并仅限于这三个预设的预测因子。使用留一法交叉验证（LOOCV）评估模型的预测能力，并采用相同的未惩罚逻辑规范。在完整病例数据集中进行决策曲线分析（DCA），以评估预测模型的临床实用性。在DCA中，阈值概率（x轴上表示）定义了临床医生推荐该程序的最低预测反应概率。净效益（y轴上表示）考虑了真阳性和假阳性分类之间的权衡。包括两种参考策略进行比较：治疗所有患者（“Treat All”）和不治疗任何患者（“Treat None”）。统计显著性定义为P < 0.05（双尾）。

结果：
本研究包括30名重度哮喘患者（年龄32–68岁）。根据两年时ACQ5评分改善≥0.5分的预设标准，22名患者被归类为BT反应者，8名为非反应者。基线ACQ5评分在反应者（1.96 ± 0.91）和非反应者（2.43 ± 0.89；P = 0.231）之间无显著差异。两年时，反应者的ACQ5评分显著低于非反应者（0.53 ± 0.30 vs 2.42 ± 1.17；P < 0.001），ACQ5的平均改善幅度也更大（Δ：?1.43 ± 0.80 vs 0.00 ± 0.44；P < 0.001）。此外，两组在基线时的年急性发作率无显著差异（4.20 ± 3.74 vs 8.38 ± 10.27；P = 0.607），但两年时反应者的急性发作次数显著减少（0.30 ± 0.66 vs 5.88 ± 8.82；P = 0.006），支持基于ACQ5的反应分类的临床相关性（表S1）。关于肺功能，尽管所有30名患者的基线肺功能数据均可用，但由于两名反应者在两年时缺乏肺功能记录，因此仅对28名具有基线和两年数据的患者进行了纵向分析。基线时，反应者和非反应者在支气管扩张剂前后的肺功能参数无显著差异（所有P > 0.05）。在两年随访期间，两组的肺功能总体相对稳定；然而，反应者的支气管扩张剂后FEV1百分比变化显著优于非反应者（Δ：+5.00 [1.73, 11.22] vs ?17.10 [?24.09, ?3.04]；P = 0.046）。其他肺功能参数的纵向变化组间无显著差异（所有P > 0.05）（表S2）。

基线临床特征：
反应者和非反应者在性别分布、吸烟史、哮喘发病年龄、疾病持续时间、哮喘表型、血液学指标（包括外周血嗜酸性粒细胞百分比、血清C反应蛋白[CRP]和白蛋白水平）以及FeNO方面无显著差异（所有P > 0.05）。两组之间的BT激活总数也无显著差异（P = 0.532）。值得注意的是，非反应者的体重（P = 0.009）、BMI（P = 0.036）和血清甘油三酯水平（P = 0.015）显著较高（表1）。详细的人口统计学和临床特征在表S3中提供。表1 显示了接受支气管热成形术（BT）治疗的严重哮喘患者的基线临床特征。下载CSV显示表格。基线时的肺功能、IOS和肺容量参数：BT反应者表现出显著更低的X5值（-0.18 ± 0.09 vs -0.06 ± 0.04；P = 0.011）和更高的RV/TLC比率（44.64 ± 9.81% vs 35.20 ± 9.11%；P = 0.042），与非反应者相比（表2）。然而，包括使用支气管扩张剂前后的FEV1、FEV1/FVC和MMEF%pred在内的肺功能参数在反应者和非反应者之间没有显著差异（所有P > 0.05）。IOS参数（Fres、Z5、R5、R20、R5–R20、AX）和肺容量指数（FRC、TLC）在两组之间是可比的（所有P > 0.05）（表S4）。表2 显示了接受BT治疗的严重哮喘患者的肺功能、IOS和肺容量比较。下载CSV显示表格。EB-OCT测量显示，在基线时，BT反应者的中等到小气道的管腔面积较大：Ai3–6（10.86 ± 4.81 vs 6.15 ± 2.04 mm2；P = 0.013）和Ai7–9（3.55 ± 1.62 vs 1.93 ± 0.74 mm2；P = 0.011）。虽然反应者的中气道壁厚度显著低于非反应者，但小气道壁厚度没有显著差异：Aw%3–6（29.88 ± 7.08% vs 35.82 ± 6.54%；P = 0.048）（表3）（图1）。图1 显示了支气管热成形术治疗严重哮喘患者的气道形态异常的EB-OCT图像。该复合图将EB-OCT图像分为两行：上行为代表反应者的图像，下行为代表非反应者的图像。A、B和C面板显示了反应者的第9、6和3代气道的横截面图像；D面板是相应的纵向拉回图像，带有毫米刻度，黄色箭头指示第9、6和3代气道的特定位置。阅读此图的详细描述。定量分析显示，BT反应者的COL3表达显著高于非反应者（0.30 ± 0.26 vs 0.26 ± 0.03 IOD/mm2，P = 0.020）（图2A）。然而，在TGF-β、MMP-9、M3、α7nAChR、ACh、HSP70或α-SMA表达方面，反应者和非反应者之间没有显著差异（所有P > 0.05）（图2B–D和S1A–D）。四个条形图（A-D）比较了BT反应者和非反应者的气道黏膜标志物的定量表达。A面板显示COL3表达在反应者中显著高于非反应者。相比之下，B、C和D面板分别显示TGF-β、MMP-9和M3在两组之间没有显著差异。临床参数的预测性能使用ROC分析进行了评估（图3和表S5）。体重（AUC = 0.759，95% CI 0.500–0.975）、BMI（AUC = 0.733，95% CI 0.495–0.950）和甘油三酯（AUC = 0.694，95% CI 0.451–0.925）显示出中等辨别能力，而COL3显示出良好的辨别能力（AUC = 0.846，95% CI 0.577–1.000）。EB-OCT参数Ai3–6（AUC = 0.795，95% CI 0.608–0.950）、Ai7–9（AUC = 0.830，95% CI 0.642–0.962）和Aw%3–6（AUC = 0.761，95% CI 0.576–0.917），以及肺功能指数X5（AUC = 0.938，95% CI 0.799–1.000）和RV/TLC（AUC = 0.756，95% CI 0.531–0.938）也显示出中等至良好的辨别能力，其中X5在预测BT治疗反应方面表现出色。为了进一步评估BT反应的综合预测能力，在21名具有完整BMI、X5和Ai3–6数据的患者中构建了一个探索性多变量逻辑回归模型，得出的AUC为0.988（图3C）。多变量模型中的比值比为BMI为0.929（95% CI 0.502–1.720），X5为2.84 × 10^-19（95% CI 1.19 × 10^-48至6.77 × 10^10），Ai3–6为1.960（95% CI 0.599–6.414）。在完整数据集中进行的决策曲线分析（DCA）显示，组合模型在广泛的阈值概率范围内提供了更大的净收益。在多变量模型中，BMI的比值比为0.929，X5的比值比为2.84 × 10^-19，Ai3–6的比值比为1.960。为了进一步探索组合模型的潜在临床效用，在完整数据集中进行了决策曲线分析（DCA）。在明显数据分析中，组合模型（BMI + X5 + Ai3–6）在广泛的阈值概率范围内提供了比“全部治疗”和“不治疗”策略更大的净收益。然而，由于在其他肺功能指标上未观察到组间显著差异，并且这项分析仅限于一个小样本（n = 28），因此这一发现应被视为探索性的，需要谨慎解读。EB-OCT能够提供高分辨率的气道结构和重塑评估，因此可能有助于预测支气管热成形术（BT）的效果。18, 27 严重哮喘中的气道重塑特征是平滑肌质量增加、上皮下纤维化以及管腔狭窄，这些因素都会导致慢性气流阻塞和受限。28, 29 由于BT主要针对平滑肌（ASM），我们还检查了我们的队列中是否存在固定的气流阻塞。在使用支气管扩张剂后，FEV1/FVC < 0.70的情况在响应者中占57.9%（11/19），在非响应者中占33.3%（2/6）（P = 0.378），表明相当比例的治疗患者存在气道重塑。然而，响应者在基线时的气道管腔面积较大，气道壁面积百分比较低。考虑到BT的目标是平滑肌，这一发现可能出乎意料。一种可能的解释是，响应者的重塑模式中，与平滑肌相关的功能障碍比明显的上皮下纤维化更为突出。对于这类患者，BT的主要治疗目标可能更容易受到热干预的影响。相比之下，非响应者的狭窄管腔和增厚气道壁可能反映了更严重的纤维化重塑，这种重塑较难通过BT逆转。这也可能是因为较宽的气道允许导管与气道壁更完全接触，从而更均匀地传递射频能量，提高了平滑肌消融的效果。25 此外，由于EB-OCT得出的Aw%反映的是整个气道壁而不是其各个组成部分，因此响应者气道壁较薄并不一定意味着平滑肌较少，而可能反映了更有利于BT反应的气道壁成分差异。这些解释仍然是假设性的，需要在更大样本中通过更详细的气道壁成分评估来验证。先前的研究表明，对BT的临床反应良好与治疗后气道壁厚度减少有关，13, 30, 31 我们的发现进一步表明，基线时的气道形态也可能具有预测意义。除了EB-OCT的结构评估外，IOS还评估了小气道的力学特性，这对严重哮喘患者至关重要。与肺功能测定不同，IOS可以在不进行强制操作的情况下捕捉到气道弹性和阻力的细微变化。IOS可以在潮式呼吸过程中提供实时的、无创的评估，对于那些无法进行肺功能测定的症状严重的患者来说，它可能是一个有价值的临床工具。32, 33 哮喘中的气道重塑具有异质性，包括结构和功能上的改变，这可能部分解释了治疗反应的差异。34 在本研究中，BT响应者的基线X5值低于非响应者。更负的X5值通常与气道顺应性降低和小气道阻力增加相关，35 可能反映了以平滑肌为主导的表型，其特征是外周张力升高和气道壁增厚，这与BT的治疗机制一致。36–38 尽管该程序在解剖学上针对的是中央气道，但近端平滑肌张力的降低可能通过气道间的相互依赖性改善远端力学特性，从而减少气流滞留并增强通气。39 相反，非响应者可能代表以炎症为主导的表型，其中气道功能障碍主要由水肿和黏液阻塞引起。40, 41 这些特征会阻碍气流，但不涉及平滑肌介导的僵硬，因此对治疗的机械和热效应反应较差。45, 42 肥胖可能会显著影响哮喘治疗的反应。升高的甘油三酯会产生活性氧（ROS），43 激活成纤维细胞并促进胶原蛋白的产生。44, 45 在本研究中，BT响应者的甘油三酯水平、BMI和体重较低，可能反映了更有利的代谢状况，尽管我们没有直接测量氧化应激或代谢重塑途径。46, 47 超重哮喘患者可能由于脂肪来源的细胞因子（如TNF-α、IL-6）和脂肪因子（如瘦素）引起的系统炎症而表现出BT效果减弱，46, 47 这可能会加剧气道平滑肌肥大和重塑。48 此外，与肥胖相关的机械限制，如胸壁阻力增加和肺顺应性降低，49–53 可能进一步阻碍BT过程中的均匀热分布和平滑肌消融。总之，这些发现强调了系统代谢状态与哮喘患者气道病理之间的密切相互作用，表明代谢紊乱（超重或肥胖）可能是影响BT治疗效果的风险因素，在患者评估时应予考虑。作为主要的细胞外基质成分，COL3反映了上皮下纤维化和气道壁重塑，45, 46 在响应者中观察到的较高COL3表达是出乎意料的，因为较高的胶原沉积通常与更严重的气道重塑相关。这可能是因为较高的COL3表达反映了仍然具有生物活性且可改变的重塑模式，而不是固定的终末期纤维化。在这种情况下，COL3可能在基质重塑的早期或更动态阶段更为显著，57, 58 而非响应者中较低的COL3表达可能反映了更成熟和结构上更僵硬的重塑模式。这一解释也与我们的EB-OCT发现一致，即响应者在基线时气道壁较薄。然而，这些机制推断仍然是推测性的，需要通过详细评估胶原亚型、交联标记物和纵向组织采样来进一步验证。EB-OCT结合IOS参数可以提供关于气道重塑和小气道力学的深入见解。虽然临床实验室指标（如BMI、体重和血清甘油三酯）共同反映了广泛的代谢失调，但我们通过整合BMI（代谢状态）、X5（肺功能）和Ai3–6（气道结构）开发了联合模型，以精确预测BT的效果（AUC = 0.988）。这种综合方法在指导个性化患者选择和推进严重哮喘的精准管理方面显示出巨大潜力。关于联合模型中各个预测因子的相对贡献，标准化回归系数的分析显示X5贡献了模型预测能力的52.3%，其次是Ai3–6（44.2%）和BMI（3.5%）。尽管联合模型的区分度高于单独使用X5（AUC 0.988 vs 0.938），但在内部验证后这种差异并未保持（联合模型的LOOCV AUC为0.750，而仅使用X5的模型为0.762）。此外，比较完整模型和仅使用X5模型的似然比检验没有达到统计学显著性（P = 0.104），表明添加的变量并未显著改善模型拟合度。DCA表明联合模型在多个阈值范围内总体上具有明显的净收益，但这一发现也应谨慎解读，因为它基于相同的开发数据集得出。总体而言，这些结果表明X5是当前模型中最强的单个预测因子，而Ai3–6和BMI的增量价值需要在更大、经过外部验证的队列中进一步确认。本研究有几个局限性需要考虑。首先，这是一项单中心研究，样本量较小，这可能限制了估计的精确度和结果的普遍性。其次，EB-OCT和组织病理学评估了气道壁形态，但没有单独测量气道平滑肌层，而这是BT效果的关键结构决定因素。59 第三，6个月、12个月和18个月的标准化ACQ评估数据不可用，关于口服皮质类固醇剂量、住院和急诊就诊的数据也没有统一收集。这些缺失的数据限制了对治疗反应的全面、多维度评估。第四，多变量逻辑回归模型是在一个小样本中开发的，这可能限制其稳定性和普遍性。在本研究中，ROC分析主要用于识别有限的候选预测因子，以联合评估BT反应，而不是确定明确的临床决策阈值。因此，联合模型及其提出的决策阈值应被视为探索性的，需要在更大、多中心的队列中进行验证。结论通过整合EB-OCT、IOS和代谢评估，我们开发了一个联合模型（Ai3–6、X5、BMI），这可能为未来的支气管热成形术个性化患者评估提供一个有用的框架。然而，该模型应被视为探索性的，在常规临床使用之前需要在更大、独立的队列中进行验证。作者贡献所有作者都对报告的工作做出了重要贡献，无论是概念构思、研究设计、数据采集、分析解释，还是所有这些方面；参与了文章的起草、修订或批判性审查；同意最终发布的版本；并同意对文章所提交的期刊负责；并同意对工作的所有方面负责。披露所有作者声明在此工作中没有潜在的利益冲突。