Logistic回歸和PLS-DA模型評價腫瘤標志物對結腸癌的診斷價值*

曾龍飛，田 剛，姚 健,3△

(1.西南醫科大學附屬醫院肝膽外科，四川瀘州 646000；2.西南醫科大學附屬醫院檢驗科，四川瀘州 646000；3.四川省瀘州市人民醫院肝膽外科 646000)

論著·臨床研究

Logistic回歸和PLS-DA模型評價腫瘤標志物對結腸癌的診斷價值*

曾龍飛1，田 剛2，姚 健1,3△

(1.西南醫科大學附屬醫院肝膽外科，四川瀘州 646000；2.西南醫科大學附屬醫院檢驗科，四川瀘州 646000；3.四川省瀘州市人民醫院肝膽外科 646000)

目的 探討血清腫瘤M2型丙酮酸激酶(TuM2-PK)、癌胚抗原(CEA)、糖類抗原CA199、CA724、CA125和CA242對結腸癌的診斷價值。方法 采用酶聯免疫吸附法(ELISA)和電化學發光法測定231例結腸癌、105例結腸良性病和166例健康對照血清TuM2-PK、CEA、CA199、CA724、CA125和CA242水平。采用ROC曲線和Logistic-ROC曲線比較單一和組合標志物的診斷效能，以最優組合標志物建立結腸癌Logistic回歸和偏最小二乘判別分析(PLS-DA)診斷模型。結果 結腸癌組血清TuM2-PK、CEA、CA199、CA125和CA242水平顯著高于結腸良性病組和健康對照組(P<0.05)。血清CA199診斷結腸癌的ROC曲線下面積(AUC)最高[0.79 (95%CI：0.75～0.83)]，在臨界值為69.5 U/L時靈敏度和特異性分別為64.1%和89.7%。Logistic-ROC曲線中各組合標志物較單一指標的AUC高，其中(CEA+CA199+TuM2-PK)的AUC較為理想[0.89(95%CI：0.86～0.92)]。血清(CEA+CA199+TuM2-PK)的Logistic回歸和PLS-DA模型對結腸癌的診斷準確率分別為82.7%和77.5%，對非結腸癌的診斷準確率分別為93.7%和95.6%。結論 聯合檢測血清CEA、CA199和TuM2-PK是較為理想的腫瘤標志物組合，有助于結腸癌的早期診斷。

結腸腫瘤；腫瘤M2型丙酮酸激酶；ROC曲線；Logistic回歸分析

結腸癌早期癥狀不典型，約60%的患者確診時已到中晚期[1]。目前尚無準確診斷結腸癌的單一腫瘤標志物，而癌胚抗原(carcino-embryonic antigen，CEA)、糖類抗原(carbohydrate antigen，CA)CA199、CA724等診斷結腸癌的靈敏度也不理想[2-3]。腫瘤M2型丙酮酸激酶(tumors M2 pyruvate kinase，TuM2-PK)是近年來發現與結腸癌有關的新型標志物，其診斷價值尚未被完全闡明[4]。研究表明，聯合檢測血清TuM2-PK、CEA和CA199等能提高結腸癌診斷的靈敏度和陽性率[4-5]。盡管如此，并聯實驗通過疊加各指標的陽性率提高靈敏度的同時降低了特異性，增加了檢測成本[6]。串聯實驗提高了診斷的

表1 血清CEA、CA199、CA724、CA125、CA242和TuM2-PK水平

a：P<0.05，與結腸良性病組比較；b：P<0.05，與健康對照組比較；c：P<0.05，結腸癌與健康對照組比較。

表2 血清CEA、CA199、CA724、CA125、CA242和TuM2-PK對結腸癌的診斷價值比較

特異性但犧牲了靈敏度。因此，尋找最佳的腫瘤標志物組合并評價其聯合診斷效能顯得尤為重要。受試者工作特征(ROC)曲線是一種兼顧靈敏度和特異性的診斷試驗評價工具，而基于Logistic回歸的ROC曲線可用于聯合指標的診斷效能評價[6]。因此，本研究以結腸癌患者為研究對象，采用ROC曲線和Logistic回歸-ROC曲線探討血清TuM2-PK、CEA、CA199、CA724、CA125和CA242單項和經Logistic回歸后組合標志物對結腸癌的診斷效能。進一步建立最優腫瘤標志物的二分類Logistic回歸分析和偏最小二乘判別分析(PLS-DA)線性模型，驗證其對結腸癌的鑒別診斷價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2013年5月至2016年1月就診于西南醫科大學附屬第一醫院胃腸外科的結腸癌患者231例(結腸癌組)，其中男139例，女92例，平均年齡(64.4±10.9)歲。結腸良性病患者105例(良性病組)，男76例，女29例，平均年齡(52.5±19.7)歲。其中潰瘍性結腸炎37例，結腸息肉30例，急、慢性結腸炎 28例，腸易激綜合征10例。健康對照組為本院體檢者，共166例，其中男96例，女70例，平均年齡(49.1±26.6)歲，各項體檢指標均正常，無心、肺、腎臟疾病等。

1.2 方法

1.2.1 儀器與試劑 血清CEA、CA199、CA724、CA125和CA242測定均采用深圳新產業(Maglumi 2000 Plus)電化學發光儀及配套試劑，質控均符合要求。血清TuM2-PK的測定采用ELISA，采用蘇州卡爾文公司提供的試劑盒并嚴格按試劑說明書操作，批內和批間變異系數(CV)均控制在10%以內。

1.2.2 測定方法 采用電化學發光法測定血清中CEA、CA199、CA724、CA125和CA242水平。采用酶聯免疫吸附試驗(ELISA)檢測血清TuM2-PK水平。各指標的參考范圍為：CEA 0～6.0 ng/mL、CA199 0～37 U/L、CA724 0.2～6.0 U/L、CA125 0～35 U/L、CA242 0～15 U/L和TuM2-PK 0～15 U/mL。

2 結 果

2.1 血清CEA、CA199、CA724、CA125、CA242和TuM2-PK水平比較 結腸癌組血清中CEA、CA199、CA125、CA242和TuM2-PK水平均顯著高于良性病組和健康對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。良性病組血清CEA、CA199、CA724、CA242和TuM2-PK也顯著高于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)，見表1。

2.2 血清CEA、CA199、CA724、CA125、CA242和TuM2-PK對結腸癌的診斷價值比較 6種血清腫瘤標志物中CEA、CA199、CA724和TuM2-PK的診斷效能較高(AUC≥0.70)。其中CA199具有最高的診斷效能(AUC=0.79)，在臨界值為69.5 U/L時，具有64.1%的靈敏度和89.7%的特異性，見表2。

2.3 基于Logistic回歸-ROC曲線的血清組合標志物對結腸癌的診斷價值比較 以診斷效能較高(AUC≥0.70)的血清CEA、CA199、CA724和TuM2-PK建立Logistic回歸-ROC曲線模型，評估組合標志物的診斷效能(圖1)。兩項或多項組合標志物的診斷效能均優于單一指標。兩項聯合指標中(CA199+TuM2-PK)的診斷效能最佳，AUC、靈敏度和特異性分別為0.87，77.5%和90.0%。3項聯合指標中，(CEA+CA199+TuM2-PK)的診斷效能最高，AUC、靈敏度和特異性分別為0.89、82.3%和91.5%。4項聯合指標(CEA+CA199+CA724+TuM2-PK)的AUC、靈敏度和特異性分別為0.90、84.4%和88.9%。(CEA+CA199+TuM2-PK)的AUC和靈敏度均優于(CA199+TuM2-PK)。3項組合標志物(CEA+CA199+TuM2-PK)與4項項組合標志物(CEA+CA199+CA724+TuM2-PK)的AUC、靈敏度和特異性相當，但后者的檢測成本更高，見表3。

2.4 血清最優組合標志物Logistic診斷模型分析 以3項聯合指(CEA+CA199+TuM2-PK)建立Logistic診斷模型，該模型對結腸癌和非結腸癌(良性病組和對照組)診斷的準確率分別為82.7%和93.7%，見圖2。

圖1 基于血清組合腫瘤標志物的 Logistic回歸-ROC曲線表3 血清組合標志物的Logistic回歸-ROC曲線對 結腸癌的靈敏度、特異性和AUC比較

組合標志物靈敏度(%)特異性(%)AUC(95%CI)CEA+CA19971.488.60.84(0.81～0.89)CEA+CA72461.579.00.80(0.76～0.83)CEA+TuM2-PK68.482.30.82(0.78～0.86)CA199+CA72465.487.60.83(0.79～0.87)CA199+TuM2-PK77.590.00.86(0.82～0.88)CA724+TuM2-PK64.180.80.80(0.76～0.84)CEA+CA199+CA72471.489.70.87(0.83～0.90)CEA+CA199+TuM2-PK82.391.50.89(0.86～0.92)CEA+CA724+TuM2-PK68.082.30.85(0.81～0.88)CA199+CA724+TuM2-PK71.987.10.88(0.85～0.91)CEA+CA199+CA724+TuM2-PK84.488.90.90(0.88～0.93)

圖2 基于血清CEA、CA199和TuM2-PK的 Logistic回歸診斷模型

2.5 血清最優組合標志物PLS-DA診斷模型的建立 以3項聯合指(CEA+CA199+TuM2-PK)建立PLS-DA診斷模型，該模型對結腸癌和非結腸癌(良性病組和健康對照組)診斷的準確率分別為77.5%(179/231)和95.6%(259/271)，見圖3。

藍色：健康對照組；紅色：結腸良性病組；綠色：結腸癌組。

圖3 基于血清CEA、CA199和TuM2-PK的PLS-DA診斷模型

3 討 論

CEA、CA199、CA724、CA125和CA242是腫瘤常規篩查項目，其中CA199是結腸癌最常用的篩查指標，在消化道腫瘤中其血清水平顯著升高[2-4]。古麗等[7]研究表明，結腸癌組血清CA199水平顯著高于對照組，診斷結腸癌的AUC、靈敏度和特異性分別為0.76、53.1%和89.9%。本研究發現，6種腫瘤標志物中CA199的AUC最高，診斷效能與特異性與古麗等[7]報道基本一致。

丙酮酸激酶(PK)是參與糖酵解的關鍵酶，主要有L-PK、R-PK、M1-PK和M2-PK 4種亞型。M2-PK有二聚體和四聚體兩種形式，其中活性較低的二聚體主要參與碳水化合物的合成，活性較高的四聚體主要參與糖無氧酵解的能量代謝[8]。腫瘤細胞發生時常伴有M2-PK四聚體水平的減少和M2-PK二聚體含量的增加，故M2-PK又稱為TuM2-PK。由于腫瘤細胞中TuM2-PK與磷酸烯醇式丙酮酸的親和力遠低于四聚體丙酮酸激酶，故糖酵解過程受阻，中間產物大量堆積、腫瘤細胞快速增殖[9]。Fatel-Cantillo等[10]證實，TuM2-PK在結腸癌細胞增殖和轉移時釋放入血，導致血清TuM2-PK水平顯著升高。本研究發現，結腸癌組血清TuM2-PK水平顯著高于良性病組，可能與結腸癌患者腫瘤細胞的糖酵解代謝異常有關。結腸癌組血清TuM2-PK水平顯著高于良性病組與對照組，提示增高的血清TuM2-PK水平有助于結腸癌的輔助診斷。此外，單項標志物中TuM2-PK診斷結腸癌的靈敏度與CEA和CA199相當，高于Schneider等[11]報道，可能與人群和診斷閾值不同有關。此外，本研究結果提示，聯合檢測CEA和TuM2-PK可顯著提高結腸癌診斷的靈敏度，與Kim等[12]結論一致。

目前，但鮮有TuM2-PK與CEA、CA199、CA724、CA125和CA242不同組合方式的Logistic回歸-ROC曲線對結腸癌的診斷效能比較。Molodianovitch等[13]發現，基于Logistic回歸的ROC曲線可以更好地評價模型的擬合優度、兼顧了靈敏度和特異性。盧燦榮等[14]基于Logistic回歸的ROC曲線表明，聯合檢測血清CEA、CA199和C反應蛋白有助于提高結腸癌的診斷效能。Fung等[15]采用Logistic回歸聯合檢測TuM2-PK、Dickkopf-3和胰島素樣生長因子結合蛋白(IGFBP2)診斷結腸癌AUC達到0.87～0.91，靈敏度達到73%。本研究對比分析發現，Logistic回歸-ROC曲線模型中，血清(CEA+CA199+TuM2-PK)與(CEA+CA199+CA724+TuM2-PK)組合標志物的AUC相當，均能較好地提高結腸癌診斷的靈敏度但后者的檢測成本較高。進一步以組合標志物(CEA+CA199+TuM2-PK)建立Logistic回歸和PLS-DA診斷模型，兩類模型對結腸癌和非結腸癌的診斷準確率也均較為理想。

綜上所述，血清(CEA+CA199+TuM2-PK)是鑒別診斷結腸癌較為理想的腫瘤標志物組合，有助于結腸癌的早期診斷。盡管如此，本研究尚未全面考察TuM2-PK各類常規腫瘤標志物聯合檢測對結腸的診斷價值，標本量也較為有限。因此，尋找更加理想的腫瘤標志物組合，評價其診斷結腸癌的效能、分析組合標志物與病理金標準結果的一致性等還需大樣本深入研究。

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Diagnostic of serum tumor markers for colon cancer assessed with logistic regression analysis and PLS-DA model*

ZengLongfei1,TianGang2,YaoJian1,3△

(1.DepartmentofHepatobiliarySurgery,theAffiliatedHospitalofSouthwestMedicalUniversity,Luzhou,Sichuan646000,China;2.DepartmentofClinicalLaboratory,theAffiliatedHospitalofSouthwestMedicalUniversity,Luzhou,Sichuan646000,China;3.DepartmentofHepatobiliarySurgery,thePeople′sHospitalofLuzhouCity,Luzhou,Sichuan646000,China)

Objective To investigate the diagnostic value of serum tumors M2 pyruvate kinase (TuM2-PK),carcino-embryonic antigen (CEA),CA199,CA724,CA125 and CA242 in colon cancer.Methods Serum levels of TuM2-PK,CEA,CA199,CA724,CA125 and CA242 in 231 patients with colon cancer,105 patients with colon benign lesion diseases and 166 normal controls were measured by the ELISA and electrochemiluminescence assays.The operation working characteristic curve (ROC) and the logistic regression-ROC were used to evaluate the diagnostic value of tumor markers for colon cancer individually and in combination.The models of logistic regression analysis and partial least-squares discriminant analysis (PLS-DA) were established to diagnose patients with colon cancer based on the optimal panel of serum tumor markers.Results Concentrations of serum TuM2-PK,CEA,CA199,CA125 and CA724 in the colon cancer group are higher than those in the colon benign diseases group and the normal controls (P<0.05).The area under the operation working characteristic curve (AUC) of CA199 is the highest 0.79 [95% confidence interval (95%CI),0.75-0.83] at the cutoff value of 69.5 U/L with 64.1% of sensitivity and 89.7% of specificity.The AUC of combined serum tumor markers based on logistic regression analysis is higher than those in individuals,of which serum (CEA+CA199+TuM2-PK) is the optimal [AUC=0.89,95% confidence interval(95%CI),0.86-0.92].The diagnostic accuracy of logistic analysis and PLS-DA model for colon cancer is 82.7% and 77.5%,and for colon cancer is 93.7% and 95.6%,respectively.Conclusion The combination of serum tumor markers CEA,CA199 and TuM2-PK is more suitable as a diagnostic model for the screening of colon cancer.

colon cancer;tumor M2 pyruvate kinase;receiver operating characteristic curve;logistic regression analysis

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.08.010

四川省教育廳重點項目(2005A076);四川省瀘州市科技計劃項目[2015-S-51(1/3)];西南醫科大學自然科學基金(30543)；西南醫科大學附屬醫院人才基金資助項目(12277)。 作者簡介：曾龍飛(1988-)，碩士，主要從事胃腸、肝膽外科的臨床研究。△

，E-mail:lzyaojiang@126.com。

R735.3

A

1671-8348(2017)08-1038-04

2016-09-30

2016-11-28)