乳腺癌化療藥物性肝損傷風險預測模型構建

李 雪，常文千，崇英之，王依澤，邵苗苗，劉 越，劉韓熠珈，裴盛斐，楊璐銘，吳冬雪，王 雪，耿雪倩，趙賀賀，薛 揚，馮福民，景麗偉

藥物性肝損傷是由治療劑量的藥物本身及其代謝產物直接損傷肝細胞或由藥物誘發過敏反應所引起的肝臟損傷，其中90%以上為急性藥物性肝損傷，多發生在藥物應用后5～90 d。據世界衛生組織統計，藥物性肝損傷已經上升為全球肝病死亡原因的第5位。在中國，藥物性肝損傷占住院肝病患者的1%～5%，占急性肝炎患者的10%，占爆發性肝炎患者的12%。

乳腺癌是發生在乳腺腺上皮組織的惡性腫瘤，全球乳腺癌發病率自20世紀70年代末開始一直呈上升趨勢。乳腺癌常見的治療方法有手術治療、化療、放療等，其中化療常用紫杉醇類、蒽環類、鉑類及烷化劑等藥物，這些化療藥物毒副作用大，治療周期長，通常采用聯合用藥方案，使藥物對肝臟的毒性疊加，對肝臟的損傷遠大于一般的藥物，成為乳腺癌治療過程中不可忽視的問題。肝臟作為人體最重要的代謝和解毒器官，負責代謝及清除大部分化療藥物，在這一過程中就常引發肝功能損傷。

研究顯示，在中國最常引起藥物性肝損傷的藥物中，抗腫瘤藥物居第5位；并有研究發現因藥物性肝損傷引起的急性肝衰竭中，抗腫瘤藥物位居第2位；多種藥物的混合使用可使藥物性肝損傷的發生率明顯增加。

化療引發肝損傷在臨床中十分常見，但對于化療引起的肝功能損傷影響因素的研究卻比較少。因此，該研究通過對乳腺癌患者化療時的年齡、分子分型、Ki-67的表達、腫瘤的病理學類型、TNM分期、化療方案、疾病史、用藥史、實驗室檢測值等因素進行統計學分析，總結出乳腺癌化療過程中誘發肝損傷的影響因素，建立乳腺癌化療期間肝損傷的風險預測模型，對乳腺癌化療藥物性肝損傷的早期預防具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 病例資料

選取2019年5月4日—11月30日期間在唐山市人民醫院住院化療的乳腺癌患者進行流行病學問卷調查，并收集臨床生化檢測結果和血樣標本。在此期間，唐山市人民醫院共收治675例乳腺癌患者，均為女性。

納入標準：將接受化療并發生肝損傷的初治乳腺癌患者納入肝損傷組；將接受化療且并未發生肝損傷的初治乳腺癌患者納入非肝損傷組。

排除標準：治療乳腺癌前即存在肝功能異常者；患有可引起肝功能異常的其他疾病者如：病毒性肝炎、自身免疫型肝炎、酒精性肝病、脂肪肝等；服用其他可引起肝功能異常的藥物者如:對乙酰氨基酚、復方新諾明等；轉移性乳腺癌患者；未簽署知情同意書者。

按照研究對象的納入與排除標準，發現人口學信息、臨床生化指標以及血樣標本均收集完整的乳腺癌患者共640例。

1.2 問卷調查

由經過統一培訓的公共衛生與預防醫學專業學生采用1 ∶1面對面方式進行問卷調查。調查問卷是在查閱大量文獻的基礎上自行設計，經流行病學專家及臨床醫生進行評定，通過預調查反復修訂后正式使用。內容包括：乳腺癌患者的年齡、民族、婚姻狀況、是否絕經、有無長期服藥史等。同時收集乳腺癌患者化療期間的臨床病歷資料，主要包括：腫瘤病理學分型、腫瘤TNM分期、腫瘤分子分型、細胞增殖抗原標記物(Ki-67)的表達、化療類型、化療方案等。

1.3 乳腺癌化療藥物性肝損傷的診斷標準

乳腺癌化療藥物性肝損傷診斷依據為Danan標準：使用乳腺癌化療藥物前肝功能指標，包括丙氨酸氨基轉氨酶(alanine aminotransferase,ALT)、天門冬氨酸氨基轉氨酶(aspartate transaminase,AST)、總膽紅素(total bilirubin,TBIL)和堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)均正常，當進行化療治療6個月內ALT或TBIL超過正常最大值的2倍，或AST、ALP、TBIL三者共同升高且其中之一超過正常最大值的2倍時，即可診斷為藥物性肝損傷；若僅有AST、ALP或TBIL高于正常最大值的2倍，或ALT、AST、TBIL、ALP升高值處于正常最大值的1～2倍之間時，則不應診斷為藥物性肝損傷。

圖1為非肝損傷組和肝損傷組對應的ALT、AST、TBIL和ALP的箱形圖，可以判斷樣本肝損傷組的ALT和AST是非肝損傷組的2倍，符合Danan標準。

圖1 非肝損傷組和肝損傷組的判斷

1.4 乳腺癌患者化療方案

將化療方案分為四組，分別為紫杉醇類組(包括單純使用紫杉醇類藥物或烷化劑+紫杉醇類藥物)、蒽環類組(包括單純使用蒽環類藥物或烷化劑+蒽環類藥物)、聯合用藥組(紫杉醇類藥物+蒽環類藥物或紫杉醇類藥物+蒽環類藥物+烷化劑)、其他用藥組(其他類藥物)。

1.5 建立決策樹模型的理論依據

決策樹是數據分割的優良方式，構建的分割算法主要有ID3、C4.5、CART三種，其中ID3和C4.5是分類樹，CART是分類回歸樹，其中ID3是決策樹最原始的算法，而C4.5和CART發展后的算法。在R語言“rpart”函數中，利用基于熵的information gain進行分割節點的選擇，其中information gain的計算方式為：

其中

D

表示原始訓練數據集，

D

表示父節點根據某一個特征分割后的第j個子節點中的數據集，其中j=1，2，3…k，N表示數據類別數，ρ表示類別i樣本數量占所有樣本的比例。把是否肝功能損傷作為分類目標(二分類)，參與分類的節點為年齡、是否絕經、長期服藥史、腫瘤病理學分型、腫瘤TNM分期、腫瘤分子分型、Ki-67數值、化療類型、化療方案等。此時的數據不需要標準化，因為分割數據依據的information gain算法與回歸分析的參數估計不同，不需要要求解釋變量與目標變量的直接線性關系。決策樹建立后葉子節點停止分裂的條件是：① 最大節點數；② 信息增益小于閾值；③ 決策樹的深度達到指定的條件；④ 所有特征已經使用完畢，不能繼續進行分裂。

1.6 血液標本的收集與處理

將采集后的外周血樣本在4 ℃溫度中放置1 h，然后以4 000 r/min離心5 min，將離心后的上層血清轉移至凍存管中，迅速置與-80 ℃冰箱保存備用。

2 結果

2.1 研究對象一般情況

本次調查的640例乳腺癌患者均為女性、漢族，未發現吸煙、飲酒患者。經化療后，106例乳腺癌患者發生肝損傷，占比16.56%。肝損傷組年齡最高72歲，最低28歲，平均年齡(50.5±9.7)歲；非肝損傷組年齡最高78歲，最低26歲，平均年齡(54.8±10.4)歲(表1)。肝損傷組的ALT、AST明顯高于非肝損傷組，差異有統計學意義(

P

<0.05)(表2)。

表1 乳腺癌患者的基本特征(n=640)

表2 乳腺癌患者肝損傷指標特征

2.2 乳腺癌患者一般情況與肝損傷的關系

由表3結果可知，肝損傷發生率與年齡、是否絕經、長期服藥史有關，差異有統計學意義(

P

<0.05)。<40歲年齡組的乳腺癌患者發生藥物性肝損傷的人數最少，4例，占該年齡組總人數的6.67%；60～80歲年齡組發生藥物性肝損傷的患者人數最多，47例，占該年齡組總人數的22.82%。經趨勢檢驗，乳腺癌患者藥物性肝損傷的發生率隨著年齡的增加呈上升趨勢(

P

<0.05)。已絕經的乳腺癌患者發生肝損傷的比例(21.17%)高于未絕經的乳腺癌患者發生肝損傷的比例(14.11%)，差異有統計學意義(

P

<0.05)。有長期服藥史的乳腺癌患者發生藥物性肝損傷的人數(106例)明顯高于無長期服藥史的患者，差異有統計學意義(

P

<0.05)。

表3 乳腺癌患者一般情況與肝損傷的關系

表4 乳腺癌患者腫瘤特征與肝損傷的關系

2.3 乳腺癌患者臨床特征與肝損傷的關系

結果顯示，腫瘤病理學分型、腫瘤TNM分期及化療方案均與乳腺癌患者藥物性肝損傷發生率相關，差異均有統計學意義(

P

<0.05)。腫瘤病理學分型為浸潤性導管癌的患者發生肝損傷的人數最多(99例)，高于其他分型，差異有統計學意義(

P

<0.05)。腫瘤TNM分期為Ⅱ期的乳腺癌患者發生肝損傷的人數(59例)高于其他分期的患病人數，差異有統計學意義(

P

<0.05)?；煼桨钢新摵嫌盟幗M的肝損傷發生率為20.67%，明顯高于其他藥物組別，差異有統計學意義(

P

<0.05)。

2.4 研究對象的化療藥物使用情況

2.4.1

烷化劑與乳腺癌患者肝損傷的關系 結合收集的臨床數據發現，用于治療乳腺癌的化療藥物主要有紫杉醇類、蒽環類及烷化劑，我們首先分析烷化劑在研究對象中使用是否存在差異。由結果可知，化療方案中未使用烷化劑的乳腺癌患者發生肝損傷的例數為54例，肝損傷發生率為19.08%；化療方案中使用烷化劑的乳腺癌患者發生肝損傷的例數為52例，肝損傷發生率為14.57%，兩組之間差異無統計學意義(

P

>0.05)(表5)。并且在四組化療方案中是否加入烷化劑與肝損傷的發生無相關性(

P

>0.05，表6)。因此提示烷化劑不是乳腺癌患者化療期間發生肝損傷的影響因素。

表5 烷化劑與乳腺癌患者肝損傷的關系

表6 烷化劑在不同藥物分組中使用情況

2.4.2

不同藥物與乳腺癌患者肝損傷的關系 結果顯示，單純使用紫杉醇類藥物進行化療的乳腺癌患者發生肝損傷的例數最多，43例，肝損傷發生率為18.94%；使用紫杉醇類+蒽環類化療方案的乳腺癌患者肝損傷例數為37例，肝損傷發生率為20.67%；單純使用蒽環類藥物化療的乳腺癌患者發生肝損傷的例數為23例，肝損傷發生率為12.50%，差異有統計學意義(

P

<0.05)，證明不同化療藥物的使用與乳腺癌患者化療期間發生的肝損傷有顯著相關性(表7)。

表7 不同藥物與乳腺癌患者肝損傷的關系

2.5 乳腺癌化療藥物性肝損傷風險預測模型的建立

2.5.1

決策樹模型的建立 利用R語言中的“rpart package”，分類的節點變量不重復使用，建立基于information gain的二分類決策樹，決策樹的深度達到了3層(包括原始父節點和葉子節點)，如圖2基于信息增益的決策樹，變量的賦值說明見表8。首先，利用腫瘤TNM分期分割100%的數據(腫瘤TNM分期作為父節點)，把腫瘤TNM分期小于4作為判斷標準，符合的情況分為一組(93%)，不符合的情況分到另一組(7%)，也就是兩個子節點；以7%的數據組為例，7%的數據作為父節點，以年齡小于等于2(既≤54歲)作為判斷標準，把符合的2%判斷為非肝損傷組，不符合的5%作為另一類，也就是形成了兩個二級子節點；最后對5%的數據組處理，5%的數據作為父節點，以是否為聯合用藥組作為判斷標準，把不是聯合用藥組的3%預測為非肝損傷組，是聯合用藥組的1%預測為非肝損傷組，達到了停止分裂的條件。

圖2 肝損傷預測的決策樹(1-否，2-是)

表8 決策樹篩選出變量的賦值情況

2.5.2

剪枝

-

防止過擬合 圖2基于信息增益的決策樹有3層，建立的決策樹帶入的指標變量沒有重復使用，直觀上不存在過擬合的情況。通過統計學方法進行驗證，關于決策樹過擬合，改良的方法有多種，最有效的是剪枝和組合樹，將在本文嘗試用決策樹剪枝的方法進行決策樹過擬合的優化。

complexity parameter也可以稱為復雜度參數(簡稱為cp值)，可以作為決策樹分裂規模(nsplit)判斷的重要指標，與決策樹的分裂規模成反比(數規模過大則存在過擬合風險)。Rel error表示所建立的決策書樹與空樹之間的平均偏差比值，xerror為交叉驗證誤差，xstd為交叉驗證誤差的標準差?？梢钥吹剑攏split為3的時候(即有四個葉子結點的樹)，要比nsplit為4(即五個葉子結點的樹)的交叉誤差要小，而決策樹剪枝的目的就是為了得到更小交叉誤差(xerror)的樹。如表9復雜度參數的表現結果，當cp值為0.021的時候，rel error、xerror和xstd取得最小值。選擇cp值為0.021可以較好的控制決策樹模型復雜度，提高模型精度，進而建立合適的分類模型，提供有用的分析信息。利用R語言中“prune”命令進行剪紙，控制cp=0.021，可以得到剪枝后的決策樹，決策樹不會變化，建立的決策書沒有過擬合的現象。

表9 復雜度參數的表現結果

以上描述的是80%的訓練集建立的模型，用20%的檢測集(128個觀測值)進行檢測后得到的混淆矩陣是一個2×2的矩陣，通過混淆矩陣可以確定模型預測的精確度為92.19%。見表10。

表10 基于預測模型的混淆矩陣(n)

決策模型對檢測集的敏感度和特異度計算：

2.5.3

決策樹模型的分析 通過決策樹左側的第一條路徑可以發現，腫瘤TNM分期Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ期無論接受何種治療，肝損傷的風險較小(85%非肝損傷)，與圖3中肝損傷對腫瘤TNM分期相吻合；決策樹預測模型中右側的第一條路徑(年齡和烷化劑)，年齡>54歲且聯合用藥組=1(紫杉醇類和蒽環類藥物同時使用)可以提純出絕大多數的肝損傷病例(78%)。值得關注的是，年齡偏大的患者傾向于肝損傷，偏小的患者傾向于非肝損傷，這與圖3中肝損傷與否對年齡的箱型圖相吻合。

圖3 不同肝損傷情況下年齡、腫瘤TNM分期的對比

3 討論

乳腺癌是全球女性最常見的惡性腫瘤之一，且發病率呈逐年上升趨勢。近十幾年，乳腺癌的治療主要以手術為主，并輔助化療、放療、內分泌治療及靶向治療的多學科綜合治療模式。其中化療是乳腺癌綜合治療非常重要的一環。但化療藥物所產生的毒副作用，嚴重影響了其臨床的應用和療效，是導致治療失敗的重要原因之一。臨床中常見的腫瘤化療藥物毒副作用主要有骨髓抑制、過敏反應及臟器損傷等，而藥物性肝損傷是化療過程中常見的臟器損傷。藥物性肝損傷臨床表現復雜多樣，輕者無任何癥狀，僅表現為肝功能異常，嚴重者可在較短時間內進展為急性肝衰竭甚至死亡。因此，明確乳腺癌化療藥物性肝損傷的影響因素、構建乳腺癌化療期間肝損傷的風險預測模型，對乳腺癌化療藥物性肝損傷的預測及防治具有重要意義。

本研究顯示，年齡、是否絕經、長期服藥史與乳腺癌患者藥物性肝損傷的發生有關，且肝損傷的發生率隨著年齡的增加呈上升趨勢。這與Sharma et al的研究結果相一致，提示老年乳腺癌患者在化療期間發生肝損傷的幾率較大。發生的原因可能是由于隨著患者年齡增大，身體各器官功能減退、代謝紊亂以及藥物的聯合作用，導致肝臟的代謝異常，最終造成肝損傷。

通過對乳腺癌患者臨床數據分析發現，腫瘤病理學分型、腫瘤TNM分期及化療方案均與乳腺癌患者藥物性肝損傷的發生相關。其中化療方案中聯合用藥組的肝損傷發生率最高，為20.67%；紫杉醇類組的肝損傷發生率為18.94%；蒽環類組的肝損傷發生率為12.50%；其他藥物組的肝損傷發生率最低，為 6.00%。通過對化療方案進一步的分層分析發現，在四組化療方案中是否加入烷化劑與肝損傷的發生無顯著相關性，因此提示烷化劑不是乳腺癌患者化療期間發生肝損傷的影響因素。單純使用紫杉醇類+蒽環類化療方案的乳腺癌患者肝損傷發生率為20.67%，高于單純使用紫杉醇類藥物、單純使用蒽環類藥物及其他藥物進行化療的乳腺癌患者，證明不同化療藥物的使用與乳腺癌患者化療期間發生的肝損傷有明顯聯系。

結合以上影響因素對乳腺癌化療藥物性肝損傷進行風險預測模型構建，共篩選出3個預測肝損傷風險的觀測指標：腫瘤TNM分期、年齡和聯合用藥，這三個指標對肝損傷風險預測的正確率為92.19%，其中靈敏度和特異度分別為86.36%和93.40%。本課題組將繼續在臨床中對該風險預測模型進行實踐應用，找到對患者肝臟損傷最小的化療方案，實現患者個體化治療，從而保障乳腺癌患者化療順利進行。