摘要
有证据表明,肺损伤、炎症和细胞外基质重塑先于间质性肺疾病(ILD)的肺纤维化。我们研究了在不考虑呼吸道症状或吸烟的情况下,计算机断层扫描(CT)肺衰减增加的定量测量是否能检测社区居住成年人的肺损伤、炎症和细胞外基质重塑。
我们测量了高衰减区域(HAA;在参与动脉粥样硬化多种族研究的成年人心脏CT扫描中,肺体素在- 600和- 250亨斯菲尔德单位之间的百分比)。
HAA与较高的血清基质金属蛋白酶-7相关(每HAA翻倍平均校正差值6.3%,95% CI 1.3-11.5),较高的白细胞介素-6相关(平均校正差值8.8%,95% CI 4.8-13.0),较低的用力肺活量(平均校正差值- 82 mL, 95% CI - 119 - - 44),较低的6分钟步行距离(平均校正差值- 40 m, 95% CI - 1 - - 80), 9.5年间质性肺异常的较高几率(校正OR 1.95, 95% CI 1.43-2.65),12.2年以上的所有原因死亡率均较高(HR 1.58, 95% CI 1.39-1.79)。
高衰减区域与炎症和细胞外基质重塑、肺功能降低、间质性肺异常以及社区居民中死亡风险较高的生物标志物相关。
摘要
CT上肺衰减的增加可以识别亚临床肺损伤和炎症在社区居住的成年人http://ow.ly/97k3300tvKX
介绍
复发性肺泡上皮细胞损伤、肺部炎症和细胞外基质重构失调被认为是间质性肺病(ILD)中导致肺纤维化的关键前体事件[1,2]。患有ILD的成年人通常在最初的损伤后数年才出现症状,这使得肺纤维化的前期原因难以确定。对亚临床疾病患者的研究可能为肺损伤的早期机制提供新的见解;然而,直到最近,很少有研究在症状出现之前观察肺间质变化[3.- - - - - -5]。
最近在大型人群队列参与者胸部CT扫描中发现间质性肺异常(ILA),这加深了我们对早期间质性肺疾病的认识[6- - - - - -9]。ILAs已被证明与吸烟有关[6],肺容量减少[6],运动能力下降[7], MUC5b多态性[8],以及全因死亡率[9在以人口为基础的队列中。然而,ILA评估是劳动密集型的,需要训练有素的阅读者进行视觉评分,有时可能会排除可能具有临床意义的模棱两可和不确定的发现。自动化方法可能为人眼无法检测到的早期异常提供卓越的再现性和更高的灵敏度,包括可能先于视觉识别ILA的变化。
我们之前曾提出在计算机断层扫描(CT)上定量测量肺衰减,称为高衰减区(HAA),可能是ILD发生前肺早期病理过程的合适测量方法[10]。我们报道了肺中HAA的大量存在与吸烟有关[10]。其他研究报告显示,在横断面分析中,HAA累及10%以上肺部的成年人总肺活量降低,ILA发生率增加[11]。然而,进一步构建HAA作为早期肺损伤、炎症或纤维化定量测量的有效性是缺乏的,少量HAA的意义尚不清楚。
因此,在目前的研究中,我们试图确定HAA是否与亚临床肺损伤、炎症和纤维化的特征相关,包括炎症的血清生物标志物(白细胞介素-6 (IL-6)和c反应蛋白(CRP))和肺重塑(表面活性剂蛋白- a (SP-A)和基质金属蛋白酶-7 (MMP-7)水平升高,FVC降低,运动能力降低,视觉识别ILA的几率增加,以及社区居住成年人的全因死亡率。我们之所以选择IL-6和CRP,是因为它们在全身炎症中具有良好的特征[12,13以及MMP-7和SP-A,基于先前的研究,这些生物标志物与肺损伤和细胞外基质重塑的相关性[14- - - - - -20.]。
方法
完整的方法可在补充附录中找到。
研究参与者
动脉粥样硬化的多种族研究(MESA)是一项多中心、国家心肺和血液研究所(NHLBI)赞助的美国前瞻性队列研究,旨在调查亚临床心血管疾病。招生标准已于以前载述[21]。简而言之,这项研究在2000年至2002年间招募了6814名年龄在45岁至84岁之间、来自美国六个社区的无临床心血管疾病的成年人。没有基于肺部疾病、呼吸道症状或吸烟史的选择标准。MESA参与者进行了随访,最近一次随访是在2010年至2012年之间(图S1) [21]。通过每9-12个月联系每位参与者或其家庭成员来确定生命状况。通过审查国家死亡指数(NDI)补充了这一点,以确保通过最新的NDI更新(2015年3月13日)对死亡率进行全面随访。
MESA作为我们研究的采样框架。我们对MESA参与者进行了三个亚研究:生物标志物、肺功能和ILA测量以及运动测试。我们对每个子研究的抽样策略在补充材料和图S2中有详细描述。每个子研究的样本量与每个子研究的结果一起报告。
我们还纳入了48名临床诊断为ILD的成年人(75%为特发性肺纤维化(IPF))的比较组,这些成年人在nhlbi资助的肺移植体成分(LTBC)研究中参加了三个中心之一(哥伦比亚大学、宾夕法尼亚大学或杜克大学)。
MESA、LTBC和所有辅助研究均由所有合作中心的机构审查委员会批准,所有参与者均知情同意。
CT扫描的高衰减区域
HAA是在2000-2002年MESA基线访问期间,在多检测器CT扫描仪(3个位点)或电子束断层扫描仪(3个位点)上使用先前描述的标准化方案进行的无对比心脏CT扫描中测量的[22]。每位参与者在充分吸气时分别进行两次连续扫描,横向视野捕捉从隆突到肺底的整个肺场。除扫描质量控制评分不一致的情况外,分析使用较高风量的扫描[23]。CT方案细节见补充附录表S1。先前使用MESA全肺扫描的验证研究表明,这些心脏CT扫描可成像约65%的总肺体积,排除了大部分上肺叶,但捕获了大部分下肺叶[23]。HAA定义为CT衰减介于- 600至- 250亨斯菲尔德单位(HU)之间的成像肺体积百分比,如前所述[10]。百分比肺气肿定义为低于- 950 HU的体素百分比[24]。LTBC参与者根据临床方案在每个部位进行全肺吸气CT成像。在爱荷华大学成像实验室(Iowa City, IA, USA)由训练有素的读书员使用改良版肺分析软件测量定量图像衰减。
生物标志物的测量
使用来自研发系统(MMP-7和IL-6)和Biovendor (SP-A)的ELISA检测数据库基线血清样本中的MMP-7、SP-A和白细胞介素-6 (IL-6)。基线血清c反应蛋白(CRP)采用BNII散射比浊仪测定。所有测量均由佛蒙特大学临床生物化学研究实验室(Burlington, VT, USA)的MESA核心实验室进行。补充附录中提供了更多的测定特性。
肺活量和运动测试
肺活量测定是根据美国胸科学会(ATS)/欧洲呼吸学会指南进行的[188bet官网地址25],如上文所述[26]。按照ATS指南进行6分钟步行试验(6MWT),不补充氧气[27]。CPET在Viasprint 150P (Viasys Respiratory Care, Yorba Linda, CA, USA) Vmax Encore 29代谢运动系统上进行,并配有电动制动循环ergometer。
肺间质性异常
全肺MESA CT扫描于2010-12年在64层扫描仪(GE和西门子)上采用MESA Lung/SPIROMICS协议进行(见补充附录)[28]。图像重建使用0.625 mm的切片厚度,如前所述[29]。ILA的定义是:至少5%的肺非依赖性部分存在磨玻璃样、网状异常、弥漫性小叶中心结节、蜂窝样、牵引性支气管扩张、非肺气肿性囊肿或结构扭曲,采用先前描述的方法[6,8,30.]。
分析方法
我们将HAA视为一个连续独立的以2为底的对数(二进制)转换变量。对于大多数分析,我们使用广义线性模型调整年龄、性别、种族/民族、教育程度、身高、体重指数(BMI)、腰围、吸烟状况、香烟包装年限、肾小球滤过率(GFR)、研究部位、mA剂量、肺成像总容积和肺气肿百分比。由于肺覆盖度和肺容积成像是共线的(Pearson相关系数为0.7),我们在HAA和肺覆盖度之间的相关性分析中排除了肺容积成像。我们使用逻辑回归来估计ILA的调整后优势比。考虑到运动子研究的样本量较小,我们选择了病例对照设计。我们将HAA病例定义为HAA的最高十分位数(>占总肺部成像的7.5%),并给出年龄和性别调整后的最小二乘平均值。MMP-7和SP-A取样分析的细节在补充附录中提供。
如前所述,我们使用Cox比例风险模型和加性Cox模型研究了HAA与生存时间之间的关系[31]。生存时间按死亡年龄或最后一次随访或最近一次全国死亡指数更新计算,以较晚发生者为准。初步分析对上述协变量进行了调整。次要分析进一步调整了酒精使用、运动、癌症史、冠状动脉钙化和脚注中列出的心血管危险因素表3.
我们检查了按吸烟状况、年龄、性别、种族/民族和BMI分层的模型。我们进行了敏感性分析,排除了HAA最高十分位数的参与者(>占总肺部成像的7.5%),并调整了心脏收缩和舒张功能的测量。我们使用Wilcoxon秩和检验比较了48名临床诊断为ILD的社区成年人的HAA平均值。
所有统计测试都在SAS版本9.3 (SAS Institute)和R版本3.2.0 (R基础统计计算)中进行。
结果
由于缺乏有效的基线HAA评估,一名参与者被排除在分析之外(图S2)。其余6813名MESA参与者的基线特征见补充附录中的表S2和表S3。MESA参与者的平均年龄为62岁;53%为男性;38%是白人,28%是非裔美国人,22%是西班牙裔,12%是亚洲人,55%的MESA参与者是前吸烟者或正在吸烟者,平均吸烟15包年。48名LTBC参与者的平均年龄为63岁(34-75岁),31%为女性,75%有IPF。
MESA参与者有一个平均±sd (范围)HAA值为5.1±3.1%(1.2% ~ 48.9%)。临床诊断为ILD的LTBC参与者的平均(sdHAA值为25.4%(8.8%),范围为9.3%-50.8% (Wilcoxon秩和p值<0.001)与台面的参与者;图1一个)。HAA值较高的MESA参与者更有可能是女性、西班牙裔或华人、从不吸烟,并且比HAA值较低的参与者有更高的bmi(表S2)。那些高HAA四分位数的患者也往往有较低的肺成像体积和较低的肺气肿百分比。
HAA在CT上的视觉表现
HAA升高(任意定义为大于7.5%)的MESA参与者在CT图像视觉检查时出现一系列异常[10]。常见的异常包括磨玻璃和网状改变。图1显示了4名基线时HAA >为90百分位的MESA参与者的CT图像,他们在10年随访时也有ILA。
血清生物标志物
有908名MESA参与者测量了MMP-7和SP-A(见补充附录)。6621名参与者测量了IL-6, 6671名参与者测量了CRP。较大的HAA与较高的血清MMP-7和IL-6水平相关(表1表S4)。HAA每增加一倍,MMP-7就增加6.26% (95% CI 1.29-11.47;p = 0.01) (图3一IL-6为8.78% (95% CI 4.77-12.95;p < 0.001) (图3 b)。HAA和MMP-7之间的相关性被吸烟状态修正(相互作用p<0.001)。HAA每增加一倍,MMP-7增加15.45% (95% CI 7.91-23.53;p<0.001), MMP-7增加1.39% (95% CI−5.36至8.62;p = 0.69;表1)。HAA和IL-6之间的相关性在长期吸烟者中往往更强,尽管只有适度的效应修正证据(相互作用p=0.11;表1)。我们发现HAA与CRP或SP-A水平之间没有显著相关性(表1)。
肺量测定法
有3834名MESA参与者完成了肺活量测量,并在1秒内进行了有效的用力呼气量(FEV)测量1)和FVC(见补充附录)。在完全调整的模型中,HAA每增加一倍,植被覆盖度下降82 mL (95% CI 119-44;p<0.001)和绝对下降2.8%的百分比预测植被覆盖度(95% CI 3.9-1.7;p < 0.001;表S5)在MESA。这种相关性被吸烟状况修正(相互作用p=0.002)。在完全调整的模型中,HAA每增加一倍,植被覆盖度下降157 mL (95% CI 216-97;p<0.001)(表S5),减少15 mL(95%置信区间60 - 31;p=0.53)(表S5)。我们发现FEV也有类似的关联1和百分比预测FEV1而FEV比例无明显差异1植被覆盖度(表S6)。
运动能力
89名MESA参与者完成了运动测试;其中30例为病例(HAA高于90百分位(7.5%)),59例为对照组(HAA低于90百分位)。与对照组相比,高HAA患者在6-MWT和CPET下的运动能力均有所下降(图2)。调整年龄和性别后,最小二乘平均差值为40 m (95% CI 1-80;p = 0.045;表S7)。HAA病例也有较低的调整峰值摄氧量(V 'O2) (1.28与1.47 L·敏−1;P =0.01), 1%预测峰值V 'O2(72%与83%;p=0.01)和峰值Watts (76与88 W;p = 0.02;图2表S7)。病例组的呼吸储备低于对照组(53与61%;P =0.04),提示运动存在通气限制。两组在心率、O、O等方面无显著差异2脉搏,分分钟通气/CO2生产,末潮CO2在运动高峰期。
肺间质性异常
有2907名MESA参与者对ILA进行了有效的定性评估。HAA测量和ILA评估之间的中位时间为9.5年(范围8.0-11.4年)。在这2907次扫描中,477次(16.5%)被认为是不明确的ILA,因此被排除在进一步的ILA分析之外。在剩余的2430名参与者中,306名(占总样本的10.5%)有ILA: 285名(9.8%)扫描显示为ILD可疑,21名(0.7%)扫描显示双侧多叶纤维化,伴有蜂窝样分布和胸膜下牵拉性支气管扩张(明确的ILD)。162例(53%)ILA患者的改变主要集中在胸膜下分布。异常类型的分布情况见补充附录表S8。
在HAA的四分位数中,ILA患者数量增加(趋势p<0.001;表2)。在完全调整的模型中,基线HAA值大于5.3%(第4个四分位数)的患者发生ILA的几率比最低四分位数的患者高3倍(OR 3.07, 95% CI 1.77-5.33;p < 0.001;表2和图3 c), HAA每增加一倍,ILA几率增加95% (OR 1.95, 95% CI 1.43-2.65, p<0.001)。在经常吸烟和从不吸烟的人群中,这些发现是相似的(表2)。将ILA结果不明确的参与者纳入“无ILA”的分析得出了类似的结果(表S9)。
额外的分析
表S10-S12显示了分层和敏感性分析,包括左心室功能调整和对HAA低于7.5%的参与者的限制。这些分析并没有实质性地改变我们的发现。
讨论
我们的研究表明,在社区居住的中老年成年人的肺部,CT衰减较高的区域与血清MMP-7和IL-6水平升高、FVC降低、运动能力降低、10年随访时发生ILA的几率较大以及死亡率较高有关。与从不吸烟的人相比,这些关联在经常吸烟的人中更强烈。这些发现支持了HAA作为亚临床肺损伤和炎症的一种新的定量表型的构建有效性,它具有生物学和生理学的重要性,可能是亚临床ILD的前兆。
HAA与IL-6和MMP-7之间的联系表明,HAA可以识别间质炎症、细胞外基质重塑以及某些病例中的纤维化区域。IL-6是一种促炎细胞因子,在急性肺损伤中其血清水平升高[32,33]。IL-6与慢性阻塞性肺疾病有关[34]、急性呼吸窘迫综合征[35]和某些类型的ILD [36]。在以人群为基础的队列中,IL-6水平也与植被覆盖度百分比降低有关[37,38]。IL-6诱导肝脏产生CRP和其他下游炎症介质[12]。虽然IL-6水平通常与CRP相关,但在许多情况下,这两种生物标志物的水平并不相互跟踪[39- - - - - -41],这表明还有其他途径可以调节这些生物标志物,这可能解释了为什么我们在研究中没有看到HAA和CRP之间的关联。MMP-7被认为在上皮损伤的正常反应中发挥重要作用[42]。MMP-7的上皮表达在损伤后以及在肺部炎症和纤维化的情况下增加[18- - - - - -20.,43,44]。我们发现,在长期吸烟者中,HAA与血清MMP-7(以及在较小程度上与IL-6)之间的相关性更强,这为HAA作为香烟烟雾诱导的肺泡重塑的衡量指标提供了支持。
虽然在某些个体中,HAA可能代表静水性肺水肿、肺部感染、恶性或恶性前病变,或因肥胖或不完全激发引起的基底性肺不张,但我们的研究结果表明,HAA可以识别亚临床ILD的生物和生理特征的肺结构异常。我们没有发现心功能、BMI、腰围或肺成像总容积的强烈混杂证据。MESA参与者在登记时通常情况良好,如果他们分别有急性感染过程或临床诊断为心力衰竭,则重新安排或排除。MESA参与者的整体健康状况良好,降低了HAA反映参与者无法完成完整吸气动作的可能性。我们研究的一个特别优势在于一系列放射学、生物学和生理学测量的预期变化的一致性,以及吸烟影响改变的证据,如果HAA代表左心室充盈压力或肥胖,这是不可能的。
其他人使用了HAA的替代定义(−700到0 HU,−700到−500 HU) [45- - - - - -47]、直方图特征和其他自动化方法[48- - - - - -51],包括基于纹理的方法[52],以识别和描述临床明显的ILD,而不是亚临床变化。最近的研究检查了肉眼可见的ILA和死亡率之间的关系[9],但我们的研究是首次将HAA作为肺损伤和炎症的定量测量,在不考虑肺部疾病、症状或吸烟状况的情况下,在社区居住的成年人样本中,肺损伤和炎症与较高的死亡率相关。我们的结果在整个HAA谱系中是一致的,即使在排除了HAA 90%以上的个体(这一群体可能有临床可识别的ILD)后,结果也特别强烈。大多数参与者的HAA涉及不到10%的成像肺,这表明即使是少量的肺衰减增加,这可能难以用肉眼检测到,也可以识别出有ILD风险的个体。如果得到验证,研究人员可以使用HAA来研究肺早期损伤、炎症和细胞外基质重塑的原因,甚至在放射科医生确定肺间质性异常的存在之前。这些研究可能有助于识别人类ILD的新危险因素和生物学途径,为未来旨在初级和二级预防ILD的临床试验奠定基础[53]。
我们的研究有几个局限性。首先,我们缺乏可以验证HAA的疾病病理相关物。这是一项在社区居住的成年人中进行的亚临床疾病研究,未选择任何呼吸道症状,因此没有可用的病理样本。然而,我们也测量了第二组临床诊断为ILD的成年人的HAA,其中大多数人的IPF由ATS标准诊断,我们报告的HAA值明显高于MESA参与者的HAA值。其次,HAA是在心脏ct上评估的,它不能对整个肺成像,但已被证明在检查肺气肿时有用[31,54,55]。我们之前已经证明心脏CT上的HAA与全肺CT扫描上的HAA高度一致[10]。第三,我们报告了HAA和生物标志物之间的横断面分析,这限制了对任何因果关系的推断。然而,先前的研究已经确定MMP-7是肺损伤和ILD的生物标志物,IL-6在文献中被很好地描述为炎症标志物,我们的ILA和死亡率分析的中位随访时间为10-12年。第四,我们缺乏ILA的基线评估,因此只能报告HAA和ILA之间的时期横断面关联。考虑到我们研究中的长随访期以及HAA和ILA评估之间的10年差异,我们认为至少在某些情况下,HAA先于ILA的发展。然而,我们报告的优势比不应被解释为发病率比。
综上所述,在社区居住的成年人中,使用定量CT密度测量法测量的肺衰减增大的体积与血清IL-6和MMP-7水平升高、FVC降低、ILA几率增加以及与潜在混杂因素无关的全因死亡率增加有关。我们的数据表明,HAA是一种新的亚临床肺损伤、炎症和早期细胞外基质重塑的定量测量方法,这些可能是基于ct的间质性肺异常和疾病发展的危险因素。未来的研究应关注高危人群(如吸烟者或老年人)中影响HAA的因素,并应努力将HAA纳入发生ILD的临床预测模型。这些研究将导致预防ILD的干预措施的临床试验。
确认
作者感谢MESA研究的其他研究人员、工作人员和参与者的宝贵贡献。参与MESA调查人员和机构的完整名单可在http://www.mesa-nhlbi.org.
Anna J. Podolanczuk, Elizabeth C. Oelsner, David J. Lederer, R. Graham Barr和Steven M. Kawut构思并设计了这项研究。Anna J. Podolanczuk, Elizabeth C. Oelsner, R. Graham Barr, Hilary F. Armstrong, Robert C. Basner, Matthew N. Bartels, Jason D. Christie, Karen Hinckley Stukovsky, Joel D. Kaufman, Scott M. Palmer, Russell P. Tracy, Kayleen Williams和David J. Lederer获得了数据。Anna J. Podolanczuk, Elizabeth C. Oelsner, R. Graham Barr, Eric A. Hoffman, John H.M. Austin, Robert C. Basner, Matthew N. Bartels, Karen Hinckley Stukovsky, P. Hrudaya Nath, John D. Newell, Dan Rabinowitz, Jessica L. Sell, Jered Sieren, Sushil K. Sonavane, Russell P. Tracy, Jubal R. Watts, Kayleen Williams和David J. Lederer分析了数据。所有作者都对数据的解释做出了贡献。Anna J. Podolanczuk起草了最初的手稿。所有作者对重要的知识内容进行了修改,并通过了最终版本的稿件。所有作者同意对工作的各个方面负责
脚注
编辑评论呼吸呼吸J2016;48: 1271 - 1273。
这篇文章有补充资料可从www.qdcxjkg.com
支持声明:本研究得到了来自美国国家心肺和血液研究所的拨款和合同R01 HL103676、R01 HL077612、R01 HL114626、r1 -100543和R01- hl093081、N01-HC-95159、N01-HC-95160、N01-HC-95161、N01-HC-95163、N01-HC-95164、N01-HC-95165、N01-HC-95166、N01-HC-95167、N01-HC-95168、N01-HC-95169和T32 HL105323的支持,以及来自NCRR/NCATS的拨款UL1-TR-000040和UL1-RR-025005。该项目部分由肺纤维化基金会资助。本手稿的资金信息已存入FundRef.
利益冲突:可以在本文的在线版本中找到信息披露www.qdcxjkg.com
- 收到了2016年1月16日。
- 接受2016年5月7日。
- 版权所有©ERS 2016