聚類分析在哮喘表型研究中應(yīng)用的進(jìn)展

黃偉健，邱晨，酆孟潔

暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院(深圳市人民醫(yī)院)，廣東深圳518001

支氣管哮喘(簡(jiǎn)稱哮喘)是一種以慢性氣道炎癥、氣道高反應(yīng)性和可逆性氣流受限為特征的異質(zhì)性疾病。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道，哮喘是世界范圍內(nèi)與艾滋病并列上升最快的疾病，其造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)超過(guò)艾滋病與肺結(jié)核的總和[1]。2014年我國(guó)流行病學(xué)調(diào)查顯示哮喘患病率為1.24%[2]，2019年最新研究表明中國(guó)20歲及以上人群哮喘患病率為4.2%，患者總?cè)藬?shù)4 570萬(wàn)[3]。哮喘發(fā)病機(jī)制和臨床表現(xiàn)復(fù)雜多樣，具有明顯的異質(zhì)性[4]，患者對(duì)治療反應(yīng)不一。因此，探討哮喘的異質(zhì)性對(duì)其診治和預(yù)后都具有重要指導(dǎo)意義。哮喘表型研究是了解哮喘異質(zhì)性的有效方法。目前，哮喘表型分型標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一，其研究方法包括有偏分類法與無(wú)偏分類法，而聚類分析是無(wú)偏分類中一種合理客觀的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，其在分析哮喘表型中價(jià)值十分突出。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用聚類分析來(lái)探討哮喘表型的研究逐漸增多[5]，但缺少聚類分析在哮喘表型研究中的總結(jié)。因此，本文擬對(duì)這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行論述，以期全面評(píng)估聚類分析在哮喘研究中的應(yīng)用價(jià)值。

1 哮喘表型研究概況

表型指機(jī)體可以觀察到的特征，是機(jī)體的基因型和環(huán)境相互作用的結(jié)果[6]。哮喘表型分類方法繁多，大致可歸納為兩大類，即有偏分類和無(wú)偏分類[7]。

有偏分類是指根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件進(jìn)行表型分類。目前包括：①發(fā)病年齡相關(guān)表型：根據(jù)發(fā)病年齡分為早發(fā)性和晚發(fā)性哮喘。②誘發(fā)因素相關(guān)表型：根據(jù)誘發(fā)因素分為過(guò)敏性哮喘、運(yùn)動(dòng)性哮喘、阿司匹林性哮喘及職業(yè)性哮喘等。③氣道炎性反應(yīng)表型：根據(jù)誘導(dǎo)痰粒細(xì)胞分類計(jì)數(shù)分為嗜酸性粒細(xì)胞型哮喘、中性粒細(xì)胞型哮喘、混合粒細(xì)胞型哮喘和寡細(xì)胞型哮喘。④治療反應(yīng)相關(guān)表型：根據(jù)治療反應(yīng)分為激素敏感性哮喘和激素抵抗性哮喘。⑤肥胖相關(guān)性表型：根據(jù)體質(zhì)量指數(shù)(BMI)分為肥胖型哮喘和非肥胖型哮喘[8,9]。

無(wú)偏分類是指通過(guò)無(wú)偏倚的方法(層次聚類、k-means聚類、自組織映射聚類等)進(jìn)行表型分類。早在2008年，Haldar等[10]首先通過(guò)k-means聚類分析了初級(jí)保健組(輕度至中度哮喘為主)、二級(jí)保健組(難治性哮喘)和第三組人群(難治性哮喘為主)3個(gè)獨(dú)立的哮喘人群，在初級(jí)保健組中識(shí)別出3個(gè)表型：早發(fā)性特應(yīng)性哮喘、肥胖性非嗜酸粒細(xì)胞性哮喘、良性哮喘，在二級(jí)保健組識(shí)別出4個(gè)表型：早發(fā)性特應(yīng)性哮喘、肥胖性非嗜酸粒細(xì)胞性哮喘、早發(fā)性癥狀為主型哮喘、炎癥為主型哮喘。

2 聚類分析在慢性呼吸道疾病中的研究概況

聚類分析是通過(guò)直接比較各事物之間的性質(zhì)，將性質(zhì)相近者歸為一類，性質(zhì)差別較大者歸入不同類的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法[11]。常用的統(tǒng)計(jì)聚類分析方法包括分層聚類、快速聚類、兩階段聚類、動(dòng)態(tài)聚類、最優(yōu)分割和模糊聚類等。聚類分析常與主成分分析、因子分析聯(lián)合應(yīng)用。主成分分析是在保留全部或者絕大部分原始信息的前提下，從多個(gè)數(shù)值變量間的相互關(guān)系入手，將有相關(guān)關(guān)系的多變量降維轉(zhuǎn)換為較少的綜合變量，新的綜合變量間彼此獨(dú)立[13]。因子分析法是從變量群中提取具有共性因子的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。從眾多變量中將具有相同本質(zhì)的變量歸入一個(gè)因子，從而可以減少變量的數(shù)目，用少數(shù)幾個(gè)因子去反映許多指標(biāo)或因素之間的聯(lián)系，能代表全部變量群的大部分信息，因此這些新變量仍然具有很高的可信度[14]。聚類分析、因子分析和主成分分析三者綜合應(yīng)用有助于將表現(xiàn)復(fù)雜，存在共線性的相關(guān)變量篩選為新的變量，所得的新的變量彼此獨(dú)立，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多存在相關(guān)關(guān)系的臨床資料進(jìn)行降維處理，使問題簡(jiǎn)化。目前，聚類分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于慢性阻塞性肺疾病、支氣管擴(kuò)張、肺曲霉菌病等各類慢性呼吸道疾病的表型分析研究中[15]。此外，聚類分析也為哮喘的表型分類提供了新的分類方法，為哮喘機(jī)制研究提供了新的切入點(diǎn)和視角。

3 聚類分析在哮喘表型研究中的應(yīng)用

3.1 聚類分析在重度哮喘分型中的應(yīng)用 按疾病嚴(yán)重程度分類，哮喘既往常被分類為間歇性、輕度、中度、重度[16]。Moore等[17]認(rèn)為目前分類和管理方法并未反映哮喘的異質(zhì)性。他們進(jìn)行了重癥哮喘研究計(jì)劃，研究共納入了726例12歲以上的非吸煙哮喘患者，層次聚類分析后共識(shí)別出5個(gè)表型：輕度特應(yīng)性哮喘、輕至中度特應(yīng)性哮喘、晚發(fā)性非特應(yīng)性哮喘、重度特應(yīng)性哮喘、伴固定氣流阻塞的重度哮喘。該臨床表型體現(xiàn)了哮喘的異質(zhì)性特征，并提示不同表型存在不同的病理生理機(jī)制。

3.2 聚類分析在哮喘急性發(fā)作期分型中的應(yīng)用 許多哮喘患者在長(zhǎng)期隨訪中出現(xiàn)急性發(fā)作。Qiu等[18]收集了320例哮喘急性發(fā)作恢復(fù)期患者的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)Ward′s分層聚類確定了4種不同的臨床表型：①和③的特征主要是嗜中粒細(xì)胞型氣道炎癥的女性患者，其中①與早發(fā)型哮喘和輕度阻塞性肺通氣功能障礙有關(guān)，③與中度阻塞性肺通氣功能障礙有關(guān)；②和④主要以重度阻塞性肺通氣功能障礙和嗜酸粒細(xì)胞型的氣道炎癥為特征，其中②以極重度阻塞性肺通氣功能障礙的非吸煙女性哮喘患者為主；④以吸煙的男性哮喘患者為主。該研究認(rèn)為，急性發(fā)作恢復(fù)期哮喘不同亞型區(qū)分的基礎(chǔ)是嗜酸粒細(xì)胞型或嗜中性粒細(xì)胞型氣道炎癥伴有不同程度的氣流受限，存在嚴(yán)重氣流受限的非吸煙或吸煙哮喘急性發(fā)作恢復(fù)期患者均存在嗜酸粒細(xì)胞型氣道炎癥。該研究通過(guò)描述急性發(fā)作恢復(fù)期的哮喘患者的聚類分析特征，有助于對(duì)這些不同急性加重表型哮喘患者的個(gè)體化治療。

3.3 聚類分析在哮喘治療上的應(yīng)用 美泊利單抗是針對(duì)IL-5的人源化單克隆抗體，主要抑制嗜酸性粒細(xì)胞炎癥，并且已被臨床研究證實(shí)在嚴(yán)重嗜酸性粒細(xì)胞性哮喘的患者中可顯著降低痰和血液嗜酸性粒細(xì)胞水平[19]。已有Meta分析評(píng)估美泊利單抗在治療哮喘患者的臨床效果和安全性[20]。然而，哮喘是具有異質(zhì)性特征的疾病，不同的哮喘患者可能對(duì)美泊利單抗有不同的治療反應(yīng)。為此，Ortega等[21]通過(guò)聚類分析探討各亞組對(duì)美泊利單抗的治療反應(yīng)。最終確定了4個(gè)亞組：①平均年齡51歲，女性占62.7%，主要特征是血嗜酸性粒細(xì)胞水平相對(duì)較低，疾病的平均持續(xù)時(shí)間為14年，平均發(fā)病年齡為35歲。血總IgE低于其他組，呼出氣一氧化氮(FeNO)(> 50 ppb)升高的患者比例(45.5%)與另一組相似(45.5%)。與安慰劑相比，美泊利單抗使這些患者急性發(fā)作頻率下降了12%。②平均年齡為48歲，主要特征是低氣道可逆性，疾病的平均持續(xù)時(shí)間為18年，平均發(fā)病年齡為30歲，合并鼻竇炎和鼻息肉的比例較高(分別為16.7%和17.7%)。與安慰劑相比，美泊利單抗使這些患者的急性加重頻率減少了53%。③平均年齡為49歲，主要特征是氣道可逆性高，BMI為25.3 kg/m2(與前兩組類似)，疾病的平均持續(xù)時(shí)間為15年，平均發(fā)病年齡為34歲。與安慰劑相比，這些患者使用美泊利單抗可使急性加重頻率減少36%。④平均年齡為50歲，大多數(shù)是女性(79%)。主要特征是氣道可逆性較高和肥胖(BMI為33.9 kg/m2)疾病的平均持續(xù)時(shí)間為18年，平均發(fā)病年齡為32歲。急性發(fā)作史較多，基線時(shí)FEV1%為66%，是其他組中最低的。合并癥較多，包括體質(zhì)量增加、高血壓和焦慮。與安慰劑相比，美泊利單抗使這些患者急性加重頻率減少了67%。該研究提示具有嗜酸性粒細(xì)胞炎癥的患者在美泊利單抗中獲得顯著的治療益處，但各亞組的治療反應(yīng)不一，美泊利單抗在血嗜酸性粒細(xì)胞大于150個(gè)/μL細(xì)胞的哮喘患者中治療效果較好，而在多并發(fā)癥及氣道具有明顯可逆性的哮喘患者中治療效果最好。此外，該研究還認(rèn)為通過(guò)聚類分析，可以識(shí)別更有特異性的生物標(biāo)志物及更好地了解哮喘機(jī)制，同時(shí)也增加了哮喘個(gè)體化治療的選擇。

3.4 聚類分析在哮喘影像學(xué)中的應(yīng)用 高分辨率CT(HRCT)一直被用于評(píng)估哮喘患者氣道壁增厚程度與肺內(nèi)氣體潴留量。HRCT不僅能夠有效且無(wú)創(chuàng)地評(píng)估氣道壁結(jié)構(gòu)和氣體潴留狀況，而且能夠整體評(píng)估哮喘的肺部病理改變。Choi等[22]基于定量CT成像的聚類來(lái)區(qū)分了4個(gè)亞組：①早發(fā)年輕非重度哮喘患者，其特征為可逆性氣流阻塞、氣道結(jié)構(gòu)正常；②兼有非嚴(yán)重哮喘患者和嚴(yán)重哮喘患者，其特征為氣道管腔狹窄、無(wú)壁增厚；③為早發(fā)性肥胖女性重癥哮喘患者，其特征為肺功能可逆，氣道壁增厚；④年齡較大的男性患者，其特征為具有遲發(fā)性中性粒細(xì)胞為主的炎癥，伴有明顯的空氣潴留和肺可塑性減少。其中③和④主要為嚴(yán)重的哮喘患者，血淋巴細(xì)胞減少和中性粒細(xì)胞增加。該研究在各組中所觀察到獨(dú)特結(jié)構(gòu)和功能變化可，為哮喘現(xiàn)有病理生理學(xué)提供了新的見解。從而可能對(duì)制定有效的哮喘患者干預(yù)措施以及未來(lái)的研究有幫助。

3.5 聚類分析在哮喘合并其他疾病的表型研究中的應(yīng)用

3.5.1 哮喘合并肥胖 2014版GINA將肥胖型哮喘列為一個(gè)獨(dú)特的哮喘表型。該表型難以控制，對(duì)哮喘標(biāo)準(zhǔn)藥物治療的反應(yīng)性低，住院率及入住ICU的比率高。Sutherland等[23]對(duì)250例輕度至中度持續(xù)性哮喘患者進(jìn)行了聚類分析研究，最終確定了4個(gè)亞組：①②為非肥胖哮喘患者亞組，③④為肥胖哮喘患者組。①比②肺功能更好、女性患者更多和哮喘發(fā)病年齡更晚，但哮喘癥狀表達(dá)、哮喘控制程度和炎癥的生物標(biāo)志物(FeNO、IgE和超敏C反應(yīng)蛋白)方面無(wú)明顯差異。③在兒童期發(fā)病，癥狀持續(xù)，哮喘控制欠佳，F(xiàn)eNO最高。④在青春期發(fā)病，氣道高反應(yīng)性最明顯。③和④在BMI、肺功能、性別、種族組成、年齡、脂肪因子瘦蛋白、脂聯(lián)素以及超敏C反應(yīng)蛋白方面相似。該研究顯示，肥胖是成人哮喘表型的重要決定因素。在肥胖個(gè)體中，哮喘的臨床和炎癥生物標(biāo)志物的表達(dá)存在異質(zhì)性。肥胖哮喘患者可能對(duì)糖皮質(zhì)激素不敏感。

3.5.2 哮喘合并抑郁 哮喘合并抑郁十分常見，最近一項(xiàng)納入了10項(xiàng)研究的Meta分析表明，相對(duì)于對(duì)照組，哮喘組患者抑郁風(fēng)險(xiǎn)明顯升高，2.24%～24.9%的哮喘患者患有抑郁[24]。Seino等[25]收集了95例合并抑郁癥狀哮喘患者的臨床數(shù)據(jù)，利用Ward′s分層聚類確定了3組表型：①老年，依從性可能較差，哮喘嚴(yán)重且控制欠佳；②老年，BMI低，依從性好，但哮喘嚴(yán)重且控制不佳；③年齡較小，BMI較高，依從性好，哮喘控制良好，很少有重度哮喘。研究發(fā)現(xiàn)，合并抑郁癥狀的哮喘患者大約一半病情嚴(yán)重、哮喘控制欠佳，這很可能與依從性差、年齡、疾病持續(xù)時(shí)間、BMI有關(guān)，但這些關(guān)聯(lián)仍需進(jìn)一步研究。研究還進(jìn)一步指出，改善哮喘合并抑郁患者的哮喘控制狀態(tài)和嚴(yán)重程度可能需要考慮改善哮喘治療依從性或與心理學(xué)家咨詢干預(yù)措施。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

哮喘表型分類研究，對(duì)明確其發(fā)病機(jī)制、指導(dǎo)治療和判斷預(yù)后有重要意義。聚類分析的應(yīng)用，是哮喘的個(gè)體化治療策略從基礎(chǔ)到臨床的重要橋梁。基于聚類分析的哮喘表型研究仍有大量問題需要深入研究和解決：①大多數(shù)為經(jīng)典哮喘的聚類分析研究，有關(guān)咳嗽變異型哮喘、阿司匹林誘導(dǎo)的哮喘、職業(yè)性哮喘、哮喘合并鼻部疾病的聚類分析未見研究；②哮喘各表型發(fā)病機(jī)制復(fù)雜多樣，至今尚未完全明了，雖然表型研究可以描述疾病特征，但其內(nèi)在機(jī)制有待深入探討；③臨床上不但需要能反映哮喘異質(zhì)性、指導(dǎo)哮喘個(gè)體化治療的表型分類，更需要相對(duì)簡(jiǎn)易可行的分類方法，構(gòu)建適用于日常臨床工作的表型分類模型是一項(xiàng)重要的研究方向；④針對(duì)不同哮喘表型，期待有更多的治療手段用于哮喘治療，需要嚴(yán)格的臨床隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其療效及安全性。