文摘
哮喘和慢性阻塞性肺疾病(COPD)是复杂的和重叠的疾病,包括炎性表型。小说anti-eosinophilic / anti-neutrophilic策略需求快速炎性表型出现,可能可以通过呼出的气息。
我们的目标是获取临床/炎性表型在慢性呼吸道疾病患者使用电子鼻子(电子鼻)训练和验证集。
这是一个多中心的横断面研究,呼出的气息从哮喘和慢性阻塞性肺病患者(n = 435;培训n = 321和验证使用电子鼻技术分析了n = 114)。数据分析涉及信号处理和统计基于主成分分析的无监督聚类分析和监督线性回归。
集群基于电子鼻导致五重大合并哮喘和慢性阻塞性肺病集群不同关于种族(p = 0.01),系统性的嗜酸性粒细胞(p = 0.02)和嗜中性粒细胞(p = 0.03),身体质量指数(p = 0.04),呼出一氧化氮分数(p < 0.01),特异反应性(p < 0.01)和恶化率(p < 0.01)。显著预测的回归模型发现嗜酸性(R2= 0.581)和中性(R2基于电子鼻= 0.409)血液计数。类似的集群和回归结果验证集。
表现型总样本哮喘和慢性阻塞性肺病患者使用电子鼻提供验证集群不取决于诊断,而是由临床/炎症特征。电子鼻识别系统性嗜中性或嗜酸性粒细胞剂量依赖性的方式。
文摘
Breathomics可能有资格获得快速的临床/炎性表型出现慢性气道疾病的护理http://ow.ly/E16p30gE1Cl
介绍
哮喘和慢性阻塞性肺疾病(COPD)是现在公认的复杂和异构慢性呼吸道疾病,包括一些表型不同的炎症概要文件和对治疗的反应。尽管全球努力,成功地提高对哮喘的临床护理的标准(1)和慢性阻塞性肺病(2),这些疾病的异质性继续造成困难区分彼此的障碍,从而导致不确定性管理和个体病人的预后。
基于历史框架患者哮喘和慢性阻塞性肺病的诊断标签可能是不够了解一个人的条件和调整治疗。因此,它被假定逐渐远离分辨病人使用这种古典疾病术语和启动更个性化的管理方法,确定了“治疗的特征”3]。这是强调非常具体的治疗方法的出现,指向潜在反应者的选择基于临床/炎性表型出现(3,4]。气道嗜酸性管理策略,旨在减少炎症反应在哮喘和慢性阻塞性肺病显示使用吸入皮质类固醇可有效减少急性加重(5]。此外,选择基于嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞的病人似乎增加新型生物制剂的疗效,如anti-interleukin-5或大环内酯物治疗(3,5- - - - - -10]。
炎性表型出现在慢性呼吸道疾病患者可以通过血液或唾液分析(6]。这些评估不提供结果时耐心协商,因为他们需要实验室程序。因此正在努力将生物评估的保健。如果经过适当的验证,呼出的空气的分子分析提供了一个非侵入性和快速选择血液和唾液11]。呼出空气中挥发性有机化合物挥发性),通过气相色谱质谱(gc - ms)在哮喘与炎症相关资料(12)和慢性阻塞性肺病(13]。然而,单个分子化合物的识别采用气是不可能的或合适的表现型的医生的办公室。相比之下,电子鼻技术可以应用模式识别的完整的混合物中呼出的气息没有识别的各个组件14,15]。电子鼻使用多个可交叉反应的传感器,这意味着几乎所有的单个传感器响应每个分析物,但具有不同的敏感性。合并后的信号响应的传感器产生一个特征的挥发性有机化合物的仪器在呼出空气。这种技术是快速和容易使用和显示巨大的潜力继续成为一个即时工具(16,17]。
我们提出临床/炎症概要文件可以从呼出空气获得慢性气道疾病,不管哮喘或慢性阻塞性肺病的诊断,而这可以利用电子鼻技术来完成。数据分析有两种主要形式:无监督(也称为描述性的)和监督(也称为预测)。两个类别包含函数能够找到不同的隐藏模式数据集。因此,该研究中故意使用综合分析计划。首先,进行无监督聚类分析在慢性呼吸道疾病患者以识别基于breathomics表型的患者。第二,监督回归分析应用于确定呼出挥发性有机化合物的仪器和不同的炎症标记物之间的关系。我们最终的目的是测试假设验证的新招募了哮喘和慢性阻塞性肺病患者。
方法
研究人群
BreathCloud是一个正在进行的多中心横断面研究www.breathcloud.org)。本文报告的数据包括结果从435年第一个哮喘或慢性阻塞性肺病患者,其中321例患者使用的训练集(n = 206哮喘,慢性阻塞性肺病n = 115)和114例验证组(n = 72哮喘,慢性阻塞性肺病n = 42) (图1)。哮喘患者对哮喘的标准定义的全球倡议[18)和慢性阻塞性肺病患者的特征根据慢性阻塞性肺疾病的全球倡议标准(2]。所有参与网站的伦理委员会书面总结,荷兰立法对人类参与研究并不能被看作是适用的,考虑到本研究的非侵入性的性质,只是说呼出呼吸分析标准诊断程序。其他临床资料(如。肺功能和血液嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞计数)在这项研究中收集用于常规临床实践。鉴于研究机构伦理审查委员会的性质提供了一个伦理批准豁免(在线补充材料)。
测量
临床评估哮喘患者使用哮喘控制问卷(ACQ) [19慢性阻塞性肺病)和慢性阻塞性肺病患者的临床调查问卷(CCQ) [20.使用了)。个人最好post-bronchodilation用力呼气量在1 s (FEV1;%预测)从收集的数据用于常规临床实践<前12个月的研究。异位性被定义为IgE > 0.35 kU·L−1至少一个特定的IgEs。呼出一氧化氮分数(F伊诺)和血液嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞计数从临床数据包含之前获得< 3个月。最后,急性加重的存在在过去的3个月是探索。一个恶化被定义为呼吸道症状的恶化需要口服糖皮质激素治疗,抗生素或两者兼而有之。
呼出的气分析
呼出的气息在重复使用SpiroNose分析,验证集成常规肺量测定法和电子鼻技术之间的相互连接在系列(17)(图2)。病人被要求用水彻底冲洗口三次。随后,呼出的气息在重复分析2分钟间隔。所有患者被要求执行五个潮汐呼吸吸气量的一个策略肺活量,5 s的屏息而缓慢(< 0.4 L·s−1)最大过期对残余体积(在线补充图1 e)。呼出的气息被SpiroNose传感器实时测量。获得传感器数据直接发送到在线BreathCloud服务器和存储。更详细的描述SpiroNose测量设置和验证提供的传感器的稳定性在线补充材料。
数据处理
原始传感器数据的离线分析从BreathCloud服务器进行下载使用Matlab(美国马MathWorks,纳蒂克)。细节的处理原始传感器信号和参数的选择(传感器峰值和峰值/屏息比率)解释说在线补充图1 e。
样本大小的计算
样本大小的计算进行了基于试验数据从我们的组。本试验旨在确定血液嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞计数,以合并哮喘和慢性阻塞性肺病患者的样本,是有关电子鼻数据。之前的数据显示标准差σx= 0.42和σx分别为= 0.36为嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞。电子鼻数据(主成分(PC) 1)标准差σy= 0.71。我们进行了样本大小计算假设斜率为λ1与α= 0.15 = 0.05,β= 0.2;训练样本的预测样本大小是180。一套验证包括一半训练集的大小是根据设计和分析的代谢组学研究建议(21]。
统计分析
进行主成分分析(PCA)感兴趣的变量合并成一个多元组件。根据凯泽标准,所有个人电脑与一个特征值> 1保留(17,22,23]。处理传感器变量;原来14传感器高峰和14峰值/屏息比率(28)中的变量重组四个电脑获取91.2%的数据集内的方差(PC1 46.2%, PC2 21.3%,生物13.1%和PC4 10.6%)。电脑了对所有科目(培训和验证集),基于电子鼻数据对象在训练集,降低数据的维数前聚类算法可以减少过度拟合的风险。
无人监督的分析
无人监督的层次聚类进行合并哮喘和慢性阻塞性肺病患者的样本,在标准化数据使用欧氏距离和沃德联系。我们使用相似资料分析确定重要的集群的数量(24]。确保模型的可重复性和稳定性,在随机算法重复10次亚种群(70%)的训练集,大类间使用方差分析进行比较,克鲁斯卡尔-沃利斯或卡方测试。统计结果的有效性进行识别的电子鼻集群内的独立验证集。最后,PCA情节展示获得呼吸集群生成图形。
监督分析
多元线性回归,逐步选择独立变量的计算来预测血液嗜酸性粒细胞计数和中性粒细胞比例,以合并后的哮喘和慢性阻塞性肺病患者的样本,基于电子鼻数据(PC1-4)。因变量是嗜酸性粒细胞计数血液中性粒细胞比例以;独立变量是四个人电脑。被认为具有统计显著性p值< 0.05。最后,回归模型得到的训练集是独立的验证和比较了基于模型的方差占(R2)和获得回归斜坡。
临床和生物因素在电子鼻数据
在训练集多元线性回归计算从关键的临床预测电子鼻数据元数据。更多信息的分析和结果提出了在线辅助表3 e和4 e。
结果
321患者被包含在训练集。基线特征表现出显著差异在年龄、肺功能、吸烟以及系统之间的嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞哮喘和慢性阻塞性肺病患者(表1)。哮喘病人表现出嗜酸性粒细胞计数显著升高(0.39±0.41×109细胞·L1)相比COPD组(0.29±0.28×109细胞·L1),而慢性阻塞性肺病患者的血液中性粒细胞计数高(7.15±3.02×109细胞·L1)相比,哮喘患者(5.41±2.98×109细胞·L1)。
验证组的114名患者。基线特征(在线补充表1 e)表现出显著差异在年龄、肺功能、吸烟、嗜酸性血液计数和吸入激素(ICS)使用哮喘和慢性阻塞性肺病组之间。
无人监督的分析
无人监督的病房集群在训练集(T集群)导致五个明显不同的eNose-driven集群不同关于种族(p = 0.01),嗜酸性粒细胞系统(p = 0.02)和系统性嗜中性(p = 0.03),身体质量指数(BMI) (p = 0.04),F伊诺(p < 0.01),特异反应性(p < 0.01)和人均恶化率在过去的3个月(p < 0.01) (表2和图3)。集群结构时可再生重复算法在随机选择的子集的人口。集群1 t (n = 74)包含两个哮喘(64.9%)和慢性阻塞性肺病(35.1%)患者以女性为主(83.5%),高体重指数(29.6±5.2公斤·m−2)、高症状评分(CCQ ACQ 2.87±5.5, 4.98±2.2),低F伊诺(23.1±7.8),没有炎症以血(嗜酸性粒细胞计数0.23±1.1×109细胞·L1,中性粒细胞计数4.98±2.2×109细胞·L1)。集群2 t (n = 48)是一个结合集群哮喘(65.1%)和慢性阻塞性肺病(34.9%)患者以男性为主(61.2%),高循环嗜酸性粒细胞计数(0.69±1.2×109细胞·L1)、高F伊诺(48.6±11.0)和低使用口服皮质类固醇(OCS) (4.2%)。集群3 t (n = 24)包含两个哮喘(60%)和慢性阻塞性肺病(40%)患者主要白人(90%)肺功能较差(postbronchodilator FEV168.9% pred)和血液嗜酸性粒细胞计数0.45±1.3×109细胞·L1。病人恶化率在过去3个月最低(0.04±0.19)和口服避孕药使用;使用ICS最低(55%)是在这个集群。集群4 t (n = 118)是一个结合集群哮喘(61%)和慢性阻塞性肺病(39%)患者主要是特应性(84.9%)、高循环嗜中性粒细胞(8.44±3.1×109细胞·L1)血液计数。病人在这个集群经验最多的人均发作在过去3个月(0.43±0.3)。集群5 t (n = 57)有更少的慢性阻塞性肺病(26.3%)的病人,最好的postbronchodilator FEV1(83.9±22.8% pred)人均恶化率在过去3个月的0.14±0.34和症状评分相对较低(ACQ 1.73±0.9和CCQ 2.73±1.3)。
使用相同的算法进行无监督聚类分析在独立验证组(n = 72哮喘,慢性阻塞性肺病n = 42)也导致五显著不同eNose-driven集群(V集群)(图3和在线辅助图3 e)。图3显示了相似的立场之间的集群(训练集和验证集表2和在线辅助表E2)。同样,所有集群慢性阻塞性肺病合并哮喘/集群,关于不同种族(p = 0.02),F伊诺(p < 0.01),特异反应性(p = 0.04),系统性嗜酸性粒细胞(p = 0.05), ICS使用(p = 0.04)和人均恶化率在过去的3个月(p < 0.01) (在线补充表2 e)。集群1 v是一个集群主要是女性患者,高体重指数、低血嗜酸性粒细胞计数和可怜的控制。2型炎症主要在集群2 v,高F伊诺。集群3 v是主要的非白种患者,急性加重的最低注册在过去3个月,没有使用口服避孕药。集群4 v像现在主要nonallergic exacerbators患者仍频繁。集群5 v由更少的COPD患者,谁是年轻与正常肺功能和症状评分较低。获得更详细的描述的集群和相似性(基于显著不同的临床和炎症变量)与集群发现在训练集了在线补充材料。
监督分析
首先,多元线性回归计算的训练集来预测中性粒细胞比例测量血液中基于电子鼻数据(PC1-4)。回归方程显著(F (1319) = 220.763, p < 0.001),与R2= 0.409 (图4一)。参与者的预测中性粒细胞比例等于0.618 + (0.093 * PC2)。为每个单位PC2中性粒细胞比例增加了9.3%。只有PC2,解释数据集内的方差的21.3%,中性粒细胞比例测量的一个重要预测是血。
第二,多元线性回归计算的训练集来预测基于PC1-4血液嗜酸性粒细胞计数。回归方程显著(F (1319) = 442.337, p < 0.001),与R2= 0.581 (图4 c)。参与者的预测血液嗜酸性粒细胞计数等于0.304 + (0.235 * PC1)。嗜酸性血液计数增加0.235×109细胞·L1每单位PC1。PC1解释42.6%的方差在预测的数据集是很有意义的嗜酸性血液计数。
最后,回归模型预测血液中性粒细胞比例和嗜酸性粒细胞计数得到的训练集被证实在独立验证集(图4 b和d)。更详细的结果中可以发现在线补充材料。
讨论
这项研究表明,慢性气道疾病表现型完全由breathomics提供了慢性阻塞性肺病合并哮喘/集群,关于不同种族,系统性嗜酸性粒细胞和系统性的嗜中性粒细胞,F伊诺、BMI、特异反应性和恶化率。这是一个独立的验证确认的病人。有趣的是,电子鼻集群中发现的一种混合样本的哮喘和慢性阻塞性肺病患者像以前公布的临床哮喘或慢性阻塞性肺病患者的集群。此外,呼出挥发性有机化合物的仪器似乎与系统性中性粒细胞和嗜酸性血液计数慢性呼吸道疾病患者中存在剂量依赖的相关性关系的证据。当考虑临床和生物变量的多元回归分析,主要的独立的司机在哮喘和慢性阻塞性肺病的电子鼻信号似乎系统性嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞,BMI,特异反应性、种族、吸烟久和ICS使用。这些发现表明,breathomics捕捉临床/炎性表型,无论诊断、慢性呼吸道疾病患者。
本研究了集群基于breathomics没有主要由诊断却由临床/炎症特征。这些驱动因素通常确定当试图表型哮喘或慢性阻塞性肺病患者(25- - - - - -30.]。集群1在我们的研究中发现包含主要女性高BMI,没有炎症,症状评分高。这个集群类似的一个集群发现Haldar等。(26哮喘病患者:“肥胖non-eosinophilic”。米ooreet al。(27]还发现一群主要是老年肥胖女性non-atopic哮喘。集群2主要由男性高循环嗜酸性粒细胞计数和相对较低的症状评分。这是一个集群,类似于“炎症主要表型发现Haldar等。(26)和相当的集群发现Newbyet al。(25):“晚发型,嗜酸性”。最大的集群获得了在我们的研究中,集群4,有很多相似之处,“早发性过敏性”表型发现由Newby等。(25)和Haldar等。(26),患者主要是过敏性炎症的迹象。最后,集群5是高度可比的“良性哮喘表型患者控制没有炎症和肺功能正常。综上所述,我们获得的集群完全由breathomics文学中描述与其他集群具有可比性,提出了鲁棒性的信心这些集群。
如前所述,集群在我们的研究中发现不代表同质哮喘或慢性阻塞性肺病集群,但是代表的哮喘和慢性阻塞性肺病患者。Rennard等。(29日)确定五个COPD组不同临床结果和炎症生物标记,表明集群占慢性阻塞性肺病的临床和生物学上不同的亚型。我们的研究结果强调的概念有不同表型的慢性气道疾病包括重叠和互补的疾病实体。后者扩展了Rootmensen等。(31日)和Weatherall等。(32)确定重叠阻塞性气道疾病的临床表型聚类分析哮喘或慢性阻塞性肺病患者。我们的数据表明,这也适用于炎症特征,从而支持精密医学方法基于治疗的特征而不是诊断分类的标签进行临床和生物的复杂性慢性气道疾病(3]。
集群3这一研究获得的主要由白人(90%)。显然,种族是一个主要的驱动因素在这个聚类分析,这可能是由于各种因素复杂的相互作用包括遗传、环境、文化、行为和社会经济地位(33]。它已经被证明的年代chatz等。(28),种族是一个变量,区分不同的哮喘表型,这也是与临床结果。值得注意的是,嗜酸性气道炎症最近与种族有关(34]。因此将是至关重要的研究机制,种族不平等与健康、疾病和表现型为了赋予个性的管理慢性气道疾病(28]。
我们的研究扩展了几个研究小组观察到的结果之间的关联嗜酸性或中性粒细胞炎症概要文件和呼出挥发性有机化合物的仪器在哮喘或慢性阻塞性肺病采用气相色谱(12,13,35]。有趣的是,在一个在体外研究年代chleich等。(35确认了7个挥发性有机化合物的仪器,能够区分嗜酸性和中性文化。本研究扩展了这一个真实的临床设置。据我们所知我们的研究是第一个,应用电子鼻,适用于医生的办公室,表现型总样本哮喘和慢性阻塞性肺病患者根据临床以及炎症特征。
此外,Plaza等。(36]目的探讨电子鼻技术区分炎性表型的能力取决于患者诱导痰持续哮喘。在我们的研究中确定炎症在外周血和验证,在日常实践中越来越普遍,不管的先天的哮喘或慢性阻塞性肺病的诊断。然而,气道(痰)炎性细胞计数之间的关系和外周血最好温和。我们组最近出版的系统回顾关于嗜酸性粒细胞计数,显示一个接受者操作特征曲线下的面积0.78为痰血嗜酸性粒细胞嗜酸性粒细胞(37]。血液中性粒细胞痰中性粒细胞的准确性是适度的38]。然而,小说anti-eosinophilic [8,39]或anti-neutrophilic [40]策略越来越基于测量血液中执行,由于困难获得足够的痰液细胞计数。达到相似,因此,我们妥协高样本大小的患者痰液细胞计数在一个大的培训和验证集是不现实的。
我们研究的力量似乎是使用一个独立的验证集,证实了训练集的结果。然而,之间的匹配结果的训练集和验证集是不完整的。外周血中性粒细胞计数明显不同的集群之间的训练集,而不是验证集。这可以解释为训练集和验证集之间的基线特征上的差异,在训练集的血液中性粒细胞计数高。此外,BMI集群之间的驱动因素是没有证实的验证集。此外,特异反应性F伊诺仅仅是获得亚组病人,主要哮喘病患者,阻碍generalisability慢性呼吸道疾病患者的这些结果。
本研究故意使用综合分析计划。潜在的限制这一策略是基于横断面设计与一个血液样本的集合的一部分常规临床描述在3个月前电子鼻测量窗口。最近的一些研究显示血液炎症细胞计数的变化程度,收集在不同的时间点(41- - - - - -44]。这可能颞可变性可能混淆的解释炎性细胞异质性的模式。然而,Katzet al。(45)表明,一个血嗜酸性粒细胞严重嗜酸性哮喘病人测量预测后续测量的平均值在85%的情况下。使用平均多个测量略微增加了灵敏度。
这可能是我们的研究结果的临床意义?理想的生物标志物是微创,容易收集、可靠、廉价和可用于确定临床表型或治疗反应表型,衡量疾病活动的变化或证实诊断(45]。本研究使用SpiroNose执行呼出的气息分析的常规评估在护理点。呼吸这种方法实时采样的优点提高VOC浓度和稳定性总呼出的气息样本相比间接VOC抽样使用收集袋(17,46]。直接呼吸采样是一个非常有吸引力的选择,因为它不仅是实用的临床使用,但它也避免了错误在收集和存储(17]。鉴于这种临床适用的技术,目前的数据可能有资格评估呼吸在医生办公室作为实时工具广泛的表型出现慢性呼吸道疾病患者。这符合现代医学的需求,管理决策是基于病人的个体表型而不是古典的诊断(3,47]。小说anti-eosinophilic [8,39,48]或anti-neutrophilic [40)战略需求快速炎性表型出现,这似乎是可以使用呼出空气。
总之,结合样品的表型出现哮喘和慢性阻塞性肺病患者由电子鼻提供结合集群不是取决于诊断的慢性呼吸道疾病,而是由临床/炎症特征。这些集群类似发布集群基于临床特点及相关系统的中性粒细胞和嗜酸性粒细胞的炎症反应。我们的研究结果支持label-free的概念方法基于治疗的特征理解个别病人的状况。目前的数据表明,呼出的空气的分子分析允许有意义的表型出现慢性气道疾病,不管哮喘或慢性阻塞性肺病的诊断,因此可能促进个性化抗炎的策略。
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- 收到了2017年6月12日。
- 接受2017年11月1日。
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