重癥肺炎機械通氣患者痰MMP-9與TIMP-1水平變化及對病情判斷的評價

重癥肺炎機械通氣患者痰MMP-9與TIMP-1水平變化及對病情判斷的評價

江穎儀曾勉李德憲

【摘要】目的探討痰上清液基質金屬蛋白酶-9(MMP-9)及基質金屬蛋白酶組織型抑制劑-1(TIMP-1)水平對重癥社區獲得性肺炎(sCAP)患者病情判斷的參考價值。方法收集31例sCAP患者及27例普通CAP患者入院或入ICU當日的血及誘導痰標本。24例存活的sCAP病例作為連續觀察組，按是否需要機械通氣分為機械通氣治療組(V組)11例、非機械通氣治療組(NV組)13例，于第4、8日及出院或轉科當日收集誘導痰標本。另收集20名健康志愿者作為對照組，均在納入當日抽血及進行痰液誘導。檢測受試者血中白細胞、CRP、PaO2、痰MMP-9及TIMP-1水平。結果與對照組相比，V組及NV組入院時痰MMP-9、TIMP-1水平明顯升高(P均<0.01)，治療期間，V組及NV組痰MMP-9、TIMP-1水平均不同程度下降， V組患者痰MMP-9、TIMP水平下降不明顯，至出院或轉科當日仍高于對照組(P均<0.01)，NV組患者痰MMP-9、TIMP-1水平至出院或轉科當日與對照組比較差異無統計學意義(P均>0.05)。相關性分析顯示，24例sCAP患者的痰MMP-9、TIMP-1水平與APACHEⅡ評分、白細胞呈正相關(P均<0.01)，與PaO2、PaO2/吸入氧濃度呈負相關(P均<0.01)，痰MMP-9水平與TIMP-1水平呈正相關(r=0.599，P<0.01)。ROC分析顯示，痰MMP-9及TIMP-1水平對診斷sCAP的曲線下面積分別為0.876及0.793(P均<0.01)，最佳臨界值分別為909.61、1 076.80 μg/L。結論痰MMP-9與TIMP-1水平測定對sCAP的識別、判斷具有一定的臨床價值，機械通氣治療的sCAP患者痰MMP-9及TIMP-1水平下降較緩慢，提示機械通氣有加重肺部炎癥反應的可能。

【關鍵詞】重癥肺炎；基質金屬蛋白酶-9；組織型抑制劑-1；機械通氣

收稿日期：(2015-04-26)

DOI：10.3969/g.issn.0253-9802.2015.10.008

通訊作者，周昭遠

Changes of metalloproteinase-9 and tissue inhibitor of metalloproteinase-1 levels in sputum of patients with severe community-acquired pneumonia and evaluation on the severity of lung inflammationJiangYingyi，ZengMian,LiDexian.DepartmentofMedicalIntensiveCareUnit,GuangzhouChestHospital,Guangzhou510095,China

Correspondingauthor，ZengMian,E-mail:zengmian2004@163.com

Abstract【】ObjectiveTo evaluate the clinical significance of the levels of metalloproteinase-9 (MMP-9) and tissue inhibitor of metalloproteinase-1 (TIMP-1) in the sputum supernatants in evaluating the severity of severe community-acquired pneumonia (sCAP). MethodsThirty one patients with sCAP ard twenty seven patients with common CAP were enrolled. Their blood and induced sputum samples were obtained on the day of admission or intensive care unit (ICU). Twenty four survived patients in the sCAP group were subject to dynamic observation and divided into the mechanical (group V; n=11) and non-mechanical ventilation subgroups (group NV; n=13). Induced sputum samples were collected on days 4, 8 and the day of discharge. Another 20 healthy volunteers served as the control group. Blood and sputum samples were obtained on the day of participation in this study. White blood cell (WBC) count, CRP and PaO2 levels in the blood and MMP-9 and TIMP-1 levels in the sputum were detected. ResultsCompared with control group, MMP-9 and TIMP-1 levels on the day of admission in the subgroups V and NV were dramatically decreased (both P<0.01). During the treatment, MMP-9 and TIMP-1 levels in the subgroups V and NV tended to decline. The sputum levels of MMP-9 and TIMP-1 did not significantly decrease in the subgroup V, significantly higher compared with the levels in the control group on the day of discharge or transfer (both P<0.01). The sputum levels of MMP-9 and TIMP-1 did not significantly differ between the NV and control groups on the day of discharge or transfer (both P>0.05). Correlation analysis revealed that the sputum levels of MMP-9 and TIMP-1 were positively correlated with the APACHEⅡscore and blood WBC count (both P<0.01) and negatively associated with PaO2 level and PaO2/FiO2 ratio (both P<0.01). The sputum level of MMP-9 was positively correlated with TIMP-1 level (r=0.599, P<0.01). ROC analysis showed that the areas under the curve of the sputum levels of MMP-9 and TIMP-1 levels in the diagnosis of sCAP were 0.876 and 0.793 (both P <0.01), with optimal cut-off values of 909.61 μg/L and 1 076.80 μg/L. ConclusionsMeasurement of MMP-9 and TIMP-1 levels in the sputum is of certain clinical significance in identifying sCAP. The MMP-9 and TIMP-1 levels in the sputum of patients with mechanical ventilation tended to decline slower than those without mechanical ventilation, prompting that mechanical ventilation probably exaggerate lung inflammation.

【Key words】Severe pneumonia; Matrix metalloproteinase-9;

Tissue inhibitor of metalloprotenase-1; Mechanical ventilation

肺炎是由細菌、病毒或其他病原體引發的肺部炎癥，有較高的發病率和病死率，重癥肺炎是肺炎死亡的重要原因之一。有報道，住院的社區獲得性肺炎(CAP)患者中重癥CAP(sCAP)的發病率為6.3%，病死率為45.0%[1]。隨著人口老年化進程的加快，肺炎發病率亦隨之增高，這就要求臨床醫師在臨床實踐中要十分警惕[2]。早期發現并作相應處理是sCAP救治的關鍵。但是，目前臨床上缺乏可靠的診斷及評估肺炎嚴重程度的早期預測因子。國外有文獻報道，基質金屬蛋白酶-9(MMP-9)及基質金屬蛋白酶組織型抑制因子-1(TIMP-1)在sCAP的進程中發揮了一定作用。在正常情況下，肺組織僅表達少量的MMP-9，但在各種刺激下，肺的實質細胞如支氣管上皮細胞、Ⅱ型肺泡細胞、成纖維細胞、平滑肌細胞以及內皮細胞均可以產生MMP-9[3]。MMP-9可降解細胞外基質，使肺泡毛細血管通透性增加，從而促進多核粒細胞游走，促進炎癥反應。TIMP-1是MMP-9的特異性內源抑制因子，可降低這種局部損傷。但是，sCAP患者氣道局部的MMP-9和TIMP-1水平如何，筆者尚未見相關文獻報道。為此，本研究觀察了sCAP患者氣道的MMP-9和TIMP-1水平，探討其在肺炎病情嚴重程度的診斷價值，并探討機械通氣在sCAP的治療中對患者的痰MMP-9和TIMP-1水平的影響，現報告如下。

對象與方法

一、研究對象

收集2013年6月至2014年6月入住廣州市胸科醫院及廣州市紅十字會醫院呼吸科和中心ICU的CAP住院患者58例，其中31例為sCAP患者，27例為普通CAP患者。按照是否需要機械通氣將sCAP患者分為機械通氣治療組(V組)，非機械通氣治療組(NV組)。所有患者均按病情需要予以相應的抗感染、止咳、祛痰等治療，本研究無需對患者治療進行任何干預。入選患者及家屬均被告知本研究目的、方法及可能出現的風險，簽署知情同意書。另選與患者年齡、性別相匹配的20名健康志愿者作為對照組，年齡41～72歲，其中男12例，女8例。

二、診斷標準

sCAP的診斷參照美國感染病學會和美國胸科學會于2007年聯合頒布的《成人CAP診療指南》中sCAP的診斷標準：①主要指標，包括需強行機械通氣、出現感染性休克、需要血管升壓類藥物；②次要指標，包括呼吸頻率≥30次/分、PaO2/吸入氧濃度(FiO2)≤250、多肺葉浸潤、意識錯亂或定向障礙、尿毒癥(血尿素氮≥ 7.14 mmol/L)、白細胞減少(白細胞<4.0×109/L)、血小板減少(血小板<100×109/L)、低體溫(核心體溫<36℃ )、需要積極體液復蘇的低血壓[3]。達到以上主要診斷標準的任意1項或者是次要標準的任意3項，即可診斷為sCAP。

三、排除標準

HIV感染者、白細胞<1×109/L或中性粒細胞<0.5×109/L者、器官移植術后者、使用大于或等于1 mg/(kg·d)潑尼松等量的糖皮質激素超過1個月者均不納入研究。入組24 h內死亡的不納入統計。

四、研究方法

CAP患者于入院當日或入ICU第1日(健康志愿者于納入當日)留取靜脈血標本5 ml，行血常規、生化、CRP等檢查，測定動脈血氣，并留取誘導痰標本。sCAP患者另于第4、8日及出院或轉科當日收集誘導痰標本。痰液誘導具體操作如下：無需氣管插管的患者及健康志愿者在誘導前測定FEV1，然后吸入200 μg沙丁胺醇，在室溫下使用超聲霧化器霧化吸入3%高滲鹽水，收集痰液；氣管插管的患者先霧化吸入2 ml沙丁胺醇溶液，在室溫下使用呼吸機，霧化吸入3%高滲鹽水，持續心電監護及連續監測SpO2，囑患者咳嗽并以吸痰管吸痰置于留痰器中[5]。取無唾液成分的痰液放于離心管中，加入4倍體積0.1%(1 g/L)二硫蘇糖醇(DTT)充分混合，置于37℃恒溫水浴箱孵育，振蕩 15 min，加入與DTT等體積的 Hanks液，再置于 37℃恒溫水浴振蕩箱振蕩 15 min，3 000 r/min離心20 min，上清液分裝，置于-20℃冰箱保存待測相關指標。沉淀細胞用Hanks液懸浮，在血細胞儀上計數細胞總數，用臺盼藍(Trypan)排除法測定細胞的存活率，細胞存活率>50%為合格標本。采用ELISA法檢測各時間點痰MMP-9、TIMP-1水平，具體操作按照廠家說明書進行。試劑盒購自上海依科賽生物制品有限公司，酶標儀產自芬蘭，型號為WellscanMK3。

五、統計學處理

結果

一、2組sCAP患者的臨床資料比較

31例sCAP患者中，死亡的7例患者不作連續性分析，最后納入連續性分析研究的V組患者11例， NV組患者13例。入組時2組患者的年齡、性別構成、白細胞、血CRP、MMP-9及TIMP-1水平比較差異均無統計學意義(P均>0.05)；急性生理與慢性健康評分Ⅱ(APACHEⅡ)、PaO2、PaO2/FiO2比較差異均有統計學意義(P均<0.05)，見表1。

表1　2組sCAP患者的臨床資料比較

注：1 mm Hg=0.133 kPa

二、2組sCAP患者的痰MMP-9水平的動態變化及與對照組的比較

與對照組相比，V組及NV組入院時的MMP-9明顯升高(F=239.3，P<0.001)，治療期間，V組患者痰MMP-9水平下降不明顯，至出院或轉科當日仍高于對照組(P<0.01)；NV組患者痰MMP-9水平呈下降趨勢，至出院或轉科當日與對照組比較差異無統計學意義(P>0.05)，見表2。

三、2組sCAP患者的痰TIMP-1水平的動態變化及與對照組的比較

與對照組相比，V組及NV組入院時的TIMP-1水平明顯升高(F=260.6，P<0.001)，V組患者的痰TIMP-1水平呈下降趨勢，但下降幅度較小，至出院或轉科當日仍高于對照組(P<0.01)。NV組患者的痰TIMP-1水平呈下降趨勢，下降幅度大，至出院或轉科當日與對照組比較差異無統計學意義(P>0.05)，見表3。

表2　2組sCAP患者的痰MMP-9水平的

注：與同組第1日比較，V組t出院或轉科日=4.191，NV組t第4日=4.871、t第8日=7.687、t出院或轉科日=12.171，aP<0.01；與同組第4日比較，NV組t第8日=4.341、t出院或轉科日=10.744，bP<0.01；與同組第8日比較，NV組t出院或轉科日= 6.003，cP<0.01；與對照組比較，NV組t出院或轉科當日=19.410，dP<0.01

表3　2組sCAP患者的痰TIMP-1水平的

注：與同組第1日比較，V組t第8日=2.833、t出院或轉科日=5.127，NV組t第4日=6.162、t第8日=13.000、t出院或轉科日=17.251，aP<0.01；與同組第4日比較，NV組t第8日=5.587、t出院或轉科日=10.991，bP<0.01；與同組第8日比較，NV組t出院或轉科日=16.142，cP<0.01；與對照組比較，NV組t出院或轉科當日=16.88，dP<0.01

四、相關性分析

24例sCAP患者第1日的痰MMP-9水平與APACHEⅡ分值、白細胞呈正相關，與PaO2、PaO2/FiO2呈負相關；其痰TIMP-1水平與APACHEⅡ分值、白細胞呈正相關，與PaO2及PaO2/FiO2呈負相關，見表4。sCAP患者的痰MMP-9水平與TIMP-1水平呈正相關(r=0.599，P<0.01)。

表4　24例sCAP患者的痰MMP-9、

五、痰MMP-9及TIMP-1水平診斷sCAP的ROC分析

sCAP組、普通CAP組患者及對照組志愿者的年齡及性別構成比較差異無統計學意義(P>0.05)，痰MMP-9及TIMP-1水平比較差異有統計學意義(P<0.01)，見表5。sCAP組及普通CAP組患者MMP-9及TIMP-1的ROC顯示，痰MMP-9及TIMP-1水平診斷sCAP的ROC曲線下面積分別為0.876和0.793(P均<0.01)，見圖1。根據統計結果中可能切點的靈敏度和特異度，計算約登指數，以約登指數最大的切點為臨界點，確定該臨界點對應的最佳臨界值、敏感度、特異度，由此得到MMP-9及TIMP-1水平的最佳臨界值為909.61 μg/L。并已知sCAP的患病率為6.3%，以此推算出相應的陽性預測價值及陰性預測值，見表6。

圖1　痰MMP-9及TIMP-1水平診斷sCAP的ROC

表5　sCAP組、普通CAP組患者與對照組的痰指標比較

表6　sCAP患者痰MMP-9及

討論

重癥肺炎是由病原體引起的嚴重的肺部炎癥反應。在肺炎診斷的基礎上合并1項主要診斷標準或3項次要標準，即可診斷為重癥肺炎。其中，需強行機械通氣是主要診斷標準之一。此外，重癥肺炎患者還可能合并有休克、呼吸頻率過快、肺氧合功能差、多肺葉浸潤、意識障礙、尿毒癥、白細胞或血小板減少、低體溫等臨床表現，病死率較高，是內科及ICU救治的危重癥疾病之一。在細菌毒素、細胞因子等外源性或內源性因素的刺激下，MMP家族由T細胞、巨噬細胞、嗜酸性粒細胞、中性粒細胞等炎癥細胞及血管內皮細胞大量釋放。其中MMP-9可降解肺泡壁的膠原纖維、彈力纖維和蛋白多糖等幾乎所有的細胞外基質成分，誘導多核粒細胞發生遷移并使其形態發生改變，從而提高微血管滲透性，促進多核粒細胞游走，引發器官的損傷和炎癥的擴散，導致SIRS，并啟動炎癥反應的級聯放大效應[6-8]。有病理研究顯示，MMP-9水平與顯微鏡下表現的肺臟局部炎癥和肺泡破壞程度基本一致[9]。然而，TIMP-1是MMP-9的天然抑制劑，抑制MMP-9在內皮和上皮細胞的基底膜上打孔，有效抑制MMP-9對細胞外基質的降解[3]。已有研究證實，在局部炎癥器官中可以檢測出高水平的MMP-9及TIMP-1[10]。本研究發現，sCAP患者的痰MMP-9及TIMP-1水平明顯升高。相關性分析也發現，患者的痰MMP-9及TIMP-1水平與 APACHEⅡ分值、白細胞正相關，與PaO2、PaO2/FiO2呈負相關。患者的痰MMP-9與TIMP-1水平比較呈正相關。Chiang等[11]研究也發現MMP-9水平與肺炎的嚴重程度相關。 Maitra等[12]研究也提示，TIMP-l水平的增高是預測重癥感染患者病死率的重要指標。楊曉軍等[13]研究也發現，早期膿毒癥患者MMP-9水平明顯升高可能是患者后期感染或全身炎癥反應程度加重、MODS發生的重要預警信號。據此認為，MMP-9及TIMP-1參與了sCAP患者炎癥反應的啟動，并在疾病的進程中發揮著重要作用，其檢測值的高低可用于預測肺炎的嚴重程度。

在臨床工作中，我們極其需要有效的預測及評估肺炎病情加重的指標。本研究ROC分析顯示，MMP-9及TIMP-1對判定sCAP發生與否的曲線下面積分別為0.876、0.793，提示具備診斷價值。通過ROC分析，我們得到了痰MMP-9的最佳臨界值為909.61 μg/L，以此區分sCAP的敏感度為0.677、特異度為0.950、陽性預測值為0.477、陰性預測值為0.978；痰TIMP-1的最佳臨界值為1 076.8 μg/L，以此區分sCAP的敏感度為0.613、特異度為0.815、陽性預測值為0.182、陰性預測值為0.969。因此，早期MMP-9及TIMP-1水平測定對于sCAP發生的識別、肺炎病情加重的診斷具有重要的臨床價值，可能是疾病加重的敏感因子。研究同時提示，sCAP患者早期MMP-9及TIMP-1水平顯著增高可能是感染加重的重要預警信號，臨床工作中應盡早采取有效治療措施阻止病情的發展，其中機械通氣是有效的治療方法之一。

在重癥肺炎的救治中，常規抗生素治療有時難以糾正頑固的低氧血癥，此時，機械通氣治療能夠幫助患者度過缺氧的難關。本研究發現， V組患者第1日的痰MMP-9水平高于NV組。由此可見，需要機械通氣治療的患者肺內炎癥反應較無需機械通氣治療的患者更為劇烈。而無論是否需要機械通氣治療，患者的痰MMP-9及TIMP-1水平均呈現下降趨勢。NV組患者的痰MMP-9及TIMP-1水平下降較明顯，而V組患者的MMP-9及TIMP-1水平下降不明顯。這可能因為機械通氣治療組患者的基礎MMP-9水平比較高，也可能與機械通氣引發的呼吸機相關性肺炎有一定關系。肺泡內皮細胞受到的機械牽張應力與MMP的釋放有一定關聯。機械通氣的壓力和細菌感染后的抗原刺激均可以激發核因子-κB，引發細胞因子的釋放從而誘導MMP-9的釋放與激活。Moriondo等[14]的研究發現，機械通氣，甚至是生理性的低潮氣量，也會嚴重影響肺的組織結構，暴露肺實質，促進呼吸機相關性肺炎的發展。但也存在不同的觀點，Albaiceta等[15]則認為MMP-9可以通過增加中性粒細胞浸潤，或者通過調節細胞因子對氣道壓力的反應來對抗呼吸機相關性肺炎。此外，經過機械通氣治療的患者因侵入性操作以及免疫功能下降等因素，通常較非通氣治療的患者存在更高的細菌感染風險。連寧芳等[16]的研究發現，重癥肺炎患者細胞免疫功能較非重癥肺炎患者下降，免疫功能減退可能是患者發生重癥肺炎的原因之一。因此，對于機械通氣患者維持較高的MMP-9水平而言，可能同時存在感染及通氣的雙重因素。

總之，MMP-9作為細胞外基質的主要降解酶和內皮損傷的標志物，在肺部炎癥反應中發揮著重要作用。早期MMP-9及其抑制因子TIMP-1水平的測定對于肺炎發展的嚴重程度的診斷具有一定的參考價值，對于sCAP患者病情的評估也可能有一定的臨床意義。但由于缺少更多不同時間點的觀測數據以及更多的樣本數量，目前所得臨界閾值有待進一步研究。

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(本文編輯：林燕薇)

臨床研究論著

作者單位：510080 廣州，廣東藥學院附屬第一醫院內分泌科