粪便标志物在炎症性肠病中的应用进展

摘要

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn's disease, CD), 目前主要依靠内镜检查联合病理活检进行诊断及评价炎症活动性. 粪便标志物具有非侵入性、简便、快捷、短期内可重复检测等优点, 在判断炎症活动程度、监测病情变化、鉴别器质性与功能性疾病、评估治疗效果等方面都有作用. 本文对粪便钙卫蛋白、乳铁蛋白、M2型丙酮酸激酶、S100A12、髓过氧化物酶等多种IBD粪便标志物作一综述.

关键词: 炎症性肠病; 粪便标志物; 钙卫蛋白; 乳铁蛋白; M2型丙酮酸激酶

核心提示: 在炎症性肠病(inflammatory bowel disease)的诊断及鉴别诊断、评价炎症活动性和疗效方面, 粪便标志物有十分重要的作用, 其具有非侵入性、简便、快捷、短期内可重复检测等优点, 目前研究较多的粪便标志物包括: 钙卫蛋白、乳铁蛋白、M2型丙酮酸激酶、S100A12、髓过氧化物酶, 本文将逐一介绍.

Application of fecal markers in inflammatory bowel disease

Xiu-Li Zhu, Qiao-Min Wang

Xiu-Li Zhu, Qiao-Min Wang, Department of Gastroenterology, Anhui Provincial Hospital Affiliated to Anhui Medical University, Hefei 230001, Anhui Province, China

Correspondence to: Qiao-Min Wang, Professor, Chief Physician, Department of Gastroenterology, Anhui Provincial Hospital Affiliated to Anhui Medical University, 17 Lujiang Road, Yaohai District, Hefei 230001, Anhui Province, China. wqmin928@163.com

Received: December 17, 2015
Revised: January 7, 2016
Accepted: January 19, 2016
Published online: February 28, 2016

Abstract

Inflammatory bowel disease (IBD) includes ulcerative colitis (UC) and Crohn's disease (CD). The diagnosis and assessment of inflammation activity principally rely on endoscopy combined with pathological biopsy. Fecal biomarkers possess advantages including non-invasion, simplicity, fastness and repeatability, and they are effective in judging inflammation activity, monitoring illness status, distinguishing organic and functional diseases as well as assessing treatment outcome. Various fecal biomarkers of IBD including fecal calprotectin, lactoferrin, M-2 type pyruvate kinase, S100A12 and myeloperoxidase are summarized in this paper.

Key Words: Inflammatory bowel disease; Fecal biomarker; Calprotectin; Lactoferrin; M-2 type pyruvate kinase

0 引言

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一种病因尚不十分清楚的慢性非特异性肠道炎性疾病, 包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn's disease, CD). 近10年来, 我国IBD患者越来越多, 目前诊断要综合临床表现、内镜检查、影像学、病理活检四方面, 其中内镜检查联合病理活检是现阶段评估肠道炎症程度及活动性的金标准[1], 但内镜检查及病理活检具有侵入性、费时、费力、不可多次重复操作等缺点. 血常规[2]、C反应蛋白(C reactive protein, CRP)[3]、血沉(erythrocyte sedimentation rate, ESR)等血清学指标对评价IBD活动性均有一定意义, 但特异性不高, 临床应用价值有限, 仍需结合内镜、病理等指标. 所以亟需找到一种无创、简单、高敏感性、高特异性的IBD生物学标志物. 近来发现粪便标志物具有检测简单、快捷、无创、可反复进行、患者易于接受等优点, 并且在判断IBD炎症活动程度、鉴别IBD与肠易激综合征(irritable bowel syndrome, IBS)、预测药物疗效、预测疾病复发、鉴别IBD和结直肠癌等方面都起到一定作用. 本文对粪便钙卫蛋白、乳铁蛋白、M2型丙酮酸激酶、S100A12、髓过氧化物酶等多种IBD粪便标志物做一综述.

1 钙卫蛋白

钙卫蛋白是一种来源于中性粒细胞和巨噬细胞的含钙蛋白(分子量约36 kDa), 其表达具有组织或细胞特异性, 可作为急性炎性细胞活化的标志, 且性质较稳定, 在室温下可保存至少72 h, 当置于-70 ℃冷冻时可保存6 mo以上[4], 在血浆、尿液、粪便、脑脊液、唾液、滑膜液以及结肠活检中都可被检测到, 粪便中钙卫蛋白的含量大约是血浆中含量的6倍, 并且无性别差异, 具有检测简单、取材容易、易于保存、价格便宜等优点, 临床实用性较强.

1.1 评估IBD活动性

准确评估IBD活动性对于诊断、治疗有重要意义, 目前临床上评估炎症活动性主要依靠血清学检查(ESR、CRP)、内镜下表现、相关量表评分(CDAI、MAYO等)[4,5]. 目前许多研究均表明粪便钙卫蛋白可作为判断IBD活动性的指标之一. Vieira等[6]以78例IBD患者, 包括38例CD患者和40例UC患者为研究对象, 进行组织学、血清学、粪便钙卫蛋白和乳铁蛋白的检测, 并对患者进行CDAI评分、MDAI评分, 结果表明处于活动期的CD患者和UC患者, 其粪便钙卫蛋白阳性率分别为83.3%、71.4%, 并且钙卫蛋白与CRP、CDAI、MDAI都有明显相关性. 以钙卫蛋白定量200.01 mg/kg为临界值时, 其敏感性、特异性最高, 分别为88.6%、97.1%, 40例活动期患者钙卫蛋白水平>200.01 mg/kg.

Mańkowska-Wierzbicka等[7]进行一项研究, 纳入45例成年UC患者, 检测其血清中白介素(interleukin, IL)-2、IL-4、IL-6、IL-10、IL-17, 肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor α, TNF-α), 干扰素-γ(interferon-γ, IFN-γ), hsCRP及粪便中钙卫蛋白含量, 发现粪便钙卫蛋白与UC患者内镜下黏膜炎症活动性呈明显相关性(r = 0.880, P<0.001), 其他指标只有IL-6、IL-17A、TNF-α与疾病活动性有相关性. Burri等[8]将钙卫蛋白和临床量表评分在评估UC活动性方面进行比较, 63.4%患者达到临床缓解(MAYO<4), 但这其中86.4%患者内镜下仍处于活动期(Mayo score≥1), 钙卫蛋白平均水平为779.0 μg/g, 明显高于临床缓解患者(331.5 μg/g), 可以看出粪便钙卫蛋白在评估IBD疾病活动性, 尤其是黏膜炎症方面有一定价值. 钙卫蛋白在国外已应用于临床评估IBD活动性, 但是国内由于检测技术及经济条件等原因, 还未应用于临床.

1.2 鉴别IBD与非IBD

近年发现, IBD患者发病早期或缓解期时常表现为IBS症状, 且IBD与IBS在发病机制和临床表现方面具有相似性, 给临床诊断带来一定的困难, 前者的发生可能是遗传、环境及肠道菌群等多种病因导致机体对肠道抗原免疫应答失调所致; 后者是一种常见的胃肠功能紊乱性疾病, 主要是胃肠动力障碍和内脏感知异常. Menees等[9]进行一项荟萃分析, 结果显示当血清中CRP≤0.5 mg/L或者粪便钙卫蛋白水平≤40 μg/g时, 仅有≤1%的可能性患者有IBD, 故钙卫蛋白可用于鉴别非IBD和有IBS症状的IBD患者. 国外有研究表明在鉴别小儿IBD和IBS方面, 钙卫蛋白有一定意义, Bonnín Tomàs等[4]对47例儿童(平均年龄10.1岁, 13例IBS和34例IBD)粪便钙卫蛋白进行定量检测, 结果表明IBS患者粪便钙卫蛋白高于IBD患者(1219 μg/g vs 20 μg/g, P<0.0001), 但粪便钙卫蛋白在鉴别二者方面敏感性高, 特异性不高. 也有学者[10]研究小儿群体, 将粪便钙卫蛋白与基质金属蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9, MMP-9)、人β-防御素2(human β-defensins-2, HBD-2)在鉴别IBD和非IBD的敏感性方面进行比较, 发现前者敏感性高于后两者, 但特异性也不高. 造成这种在鉴别诊断方面高敏感性、低特异性的原因, 可能是研究群体为儿童, 本身儿童IBD患者临床表现不典型, 诊断及鉴别就比较困难, 也可能是以目前的检测技术, 定量或定性测出的钙卫蛋白本身在鉴别IBD与其他胃肠疾病方面特异性就不高.

1.3 鉴别CD和肠结核

CD与肠结核(intestinal tuberculosis, ITB)都是肠道慢性肉芽肿性疾病, 具有极其相似的临床、内镜、影像及病理表现, 目前有助于两病鉴别的特异指标, 如肠黏膜抗酸杆菌染色阳性或干酪样坏死性上皮肉芽肿仅在极少ITB患者中可见, 这导致疾病的鉴别诊断极其困难, 且误诊率高[11-13]. 此外, 由于两病的治疗方法完全不同, 用于CD的治疗方案常会使ITB病情加重, 甚至引起结核播散, 再加之我国为结核病高流行区域, 因此对两病的鉴别有着重要的临床和现实意义. Larsson等[14]检测30例ITB患者粪便钙卫蛋白、血清钙卫蛋白和CRP水平, 并取肠道组织进行活检, 发现活检出肉芽肿组患者上述三种指标明显高于非肉芽肿组, 三种指标检测结果分别为940.0 μg/g vs 87.0 μg/g, 8.2 μg/mL vs 3.8 μg/mL, 42.9 mg/L vs 2.3 mg/L. 可以看出粪便钙卫蛋白在组织活检出肉芽肿的ITB患者中其明显增高, 但是无法区别活检阴性ITB患者和非ITB患者. CD及ITB患者粪便钙卫蛋白都有所升高, 目前尚无相关研究对比两种疾病钙卫蛋白水平, 今后可以进行这一方面的研究.

1.4 评估疗效

IBD患者病情易反复, 目前不能完全治愈, 所以准确评估治疗效果对治疗方案的选择有重要意义, Wagner等[15]以IBD复发患者为研究对象, 比较粪便钙卫蛋白、髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)、嗜酸性粒细胞蛋白(eosinophil protein X, EPX)对5-ASA、硫唑嘌呤治疗效果的反应性, 发现治疗前、治疗4 wk、治疗8 wk后钙卫蛋白水平明显降低, 以94.5 μg/g为临界值, 评估疗效的阳性预测值为30%, 阴性预测值100%, 而MPO、EPX治疗前后虽然有改变, 但不如钙卫蛋白敏感. 国内学者对于重度UC患者予以激素规范化治疗, 发现粪便钙卫蛋白、乳铁蛋白对于激素治疗效果没有预测性[16]. 所以在评估疗效方面, 钙卫蛋白有一定意义, 但是不同治疗方案(免疫抑制剂、生物制剂、激素等)其敏感性及特异性需要进一步研究.

2 乳铁蛋白

乳铁蛋白是乳汁中一种重要的非血红素铁结合糖蛋白, 是中性粒细胞颗粒中具有杀菌活性的单体糖蛋白, 乳铁蛋白及其蛋白降解产物乳铁蛋白肽具有广谱抗菌、消炎、抑制肿瘤细胞生长及调节机体免疫反应等生物学活性[17], 其在临床上有许多应用价值, 胰腺内的乳铁蛋白可能在慢性胰腺炎胰石的慢性沉淀形成中起重要作用, 肝硬化自发性腹膜炎患者腹水中的乳铁蛋白是一项快速可靠的检测指标, 并且床边定性试验容易操作[18].

2.1 评估IBD活动性

大多数学者认为粪便乳铁蛋白在评估IBD活动性方面敏感性和特异性与钙卫蛋白相近[6], 二者联合可以提高准确率. Masoodi等[19]研究UC患者血清CRP、粪便MPO及乳铁蛋白在评价疾病活动性方面的价值, 发现粪便乳铁蛋白与UC患者病情严重程度最具相关性, 其敏感性达94%和特异性为100%; 将钙卫蛋白和乳铁蛋白二者进行比较, 前者敏感性、特异性稍高于后者, 阳性预测值分别为92%、90%, 故将二者联合应用于IBD的活动性评价, 可以代替目前有创的检测手段, 临床实用性强. Buderus等[20]定量检测IBD患者血清CRP和粪便乳铁蛋白含量, CD组平均乳铁蛋白314 μg/g, UC组371 μg/g, 非IBD组9.6 μg/g, 以7.3 μg/g为临界值进行判定, 乳铁蛋白灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值分别为100.0%、95.0%、97.3%、100.0%, 尤其对于CD患者, 其粪便乳铁蛋白含量与内镜下活动性具有明显相关性(R² = 0.42, P = 0.014), 提示乳铁蛋白可作为炎症活动指标之一.

2.2 鉴别IBD和IBS

国内外学者对粪便乳铁蛋的研究越来越多, 大多数学者认可其是一个鉴别IBD与IBS、评估IBD疾病活动性既敏感而又特殊的标志物[21,22], 将其与钙铁蛋白联合应用价值更大. Zhou等[23]对粪便乳铁蛋白在鉴别IBD和IBS方面进行一项荟萃分析, 共纳入7篇文献, 1012例患者, 研究结果表明乳铁蛋白在鉴别二者方面敏感度78%, 特异度94%. Sidhu等[24]研究也得出相似结论, 乳铁蛋白鉴别二者上敏感度、特异度为67%、96%. Gisbert等[25]、Scarpa等[26]学者研究表明虽然乳铁蛋白在IBD鉴别诊断上有高特异度, 但不及钙卫蛋白, 将二者联合有更大的应用价值.

3 M2丙酮酸激酶

丙酮酸激酶是糖酵解通路的关键酶. 现已知其有L、R、M1、M2共4种同工酶(PKL、PKR、PKM1、PKM2), L型主要表达在肝脏和肾脏, R型主要表达在红细胞中, M1型表达于肌肉和脑, M2型表达于胚胎组织、干细胞和肿瘤细胞[27-29]. 其中PKM2在临床上对肿瘤的早期诊断和筛查具有重要作用, 尤其是在消化系肿瘤方面, 有学者研究[30]显示其比临床常用的肿瘤标志物在筛查消化系肿瘤方面更加敏感. Tonus等[31]也有研究表明粪便PKM2是筛选结直肠癌的一项非侵袭性、高敏感性参数, 其平均敏感性、特异性为均高于粪便隐血试验. 除了在筛查消化系肿瘤方面有应用价值外, 近年来许多研究表明PKM2在IBD方面意义重大.

3.1 评估IBD活动性

PKM2在IBD的诊断及其活动性的判断方面都有一定作用, 有研究[32]得出IBD患者粪便PKM2含量普遍高于正常人, 以5 U/g为临界值, 94.1%CD患者明显增高, 若以45 U/g为临界值, 100%CD患者高于对照组, 并且在UC活动期粪便PKM2水平高于缓解期. Shastri等[33]研究发现PKM2与钙卫蛋白一样在诊断、评估IBD活动性等方面有极高的临床应用价值, 其敏感性、特异性、阳性预测值、阴性预测值在UC患者中分别为84.0%、66.7%、85.7%、63.6%, 在CD患者中分别为91.2%、60.0%、82.3%、76.9%, 其可作为IBD的新型标志物之一. PKM2在评估IBD活动性方面次于粪便钙卫蛋白、乳铁蛋白, 其可作为辅助性指标, 提高准确性.

3.2 鉴别诊断

IBD患者出现腹泻, 可能由于病原体感染导致或是疾病自身发展加重, 如何鉴别二者关系到后续治疗, Czub等[34]以103例患者为研究对象, 其中包括32例UC患者, 21例CD患者, 29例轮状病毒感染者, 21例沙门氏菌感染者, 利用ELISA方法测定粪便标本中的PKM2, 结果显示PKM2并不能区别IBD病情加重和急性肠道感染, 这可能是由于检测技的限制, 也可能是选择的研究对象过少, 也不能排除PKM2在鉴别IBD及肠道感染方面确实无特异性. 有学者[35]检测148例患者粪便中PKM2含量, 包括UC、CD、IBS和结肠癌患者, 平均PKM2水平分别为20.0、24.3、0.1、7.0 U/mL, 以3.7 U/mL为临界值时, PKM2的敏感性、特异性、阳性预测值分别73%、74%、89%, 可以看出PKM2在鉴别IBD和IBS、结肠癌方面均有一定意义. Jeffery等[36]检测105例IBD和IBS患者PKM2含量, 结果表明在鉴别二者上, PKM2敏感性、特异性分别为67%、88%, 但是低于钙卫蛋白. 许多研究均证实在成人IBD患者中, PKM2可以和钙卫蛋白、乳铁蛋白联合用于鉴别诊断, 单独应用价值不大[37-39]. 关于儿童IBD的研究越来越多, 早期发现及鉴别儿童IBD对其治疗、预后、生活质量有重大意义[40], 目前研究儿童IBD群体的学者越来越多, 有人提出PKM2在儿童患者中敏感性高于成人, 但没有更多的临床数据支持, 这一论点有待考证[41-43]. 随着研究进展的深入及检测技术的进步, PKM2在IBD各方面的应用价值也会被发现.

4 S100钙结合蛋白A12

S100A12是S100蛋白家族成员之一, 主要表达于髓样细胞如中性粒细胞和树突样细胞, 他参与调节包括炎症反应在内的各种细胞间活动, 具有上调内皮细胞黏附分子、活化炎性细胞、趋化特性和抗菌活性等功能, 在炎性肠道疾病、类风湿性关节炎、肾小球肾炎、移植排斥反应甚至肿瘤中都有SA100A12的表达[44-46]. 近年来许多研究发现, IBD患者肠黏膜[47]、血液[48]和粪便[49]的S100A12水平亦明显升高, 相比之下, 检测粪便中S100A12更易被患者所接受, 临床操作也容易. Kaiser等[49]用ELISA法检测粪便中S100A12含量, 研究得出IBD患者粪便中S100A12平均水平高于正常对照组(2.45 mg/kg±1.15 mg/kg vs 0.006 mg/kg±0.03 mg/kg, P<0.001), 且活动期高于缓解期, 在鉴别IBD和IBS方面其敏感性为86%和96%. 目前关于S100A12在IBD应用中的研究相对较少, 但相信未来其可作为IBD诊断和鉴别诊断、判断疾病活动性的指标之一.

5 髓过氧化物酶

髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)是由中性粒细胞、单核细胞和某些组织的巨噬细胞分泌的含血红素辅基的血红素蛋白酶, 是血红素过氧化物酶超家族成员之一. MPO含量增高可以反应中性粒细胞在某一组织中的增高, 间接反应炎症在组织中的存在. 国内有学者认为肠黏膜中MPO活性与 IBD病情活动程度呈正相关, 可作为IBD病情活动的监测指标[50]. 国外学者对MPO研究较多, Masoodi等[19]研究UC的生物学指标, 发现粪便中MPO对UC活动性评估的敏感性为89%, 特异性为51%, 低于粪便乳铁蛋白和血清CRP; 且MPO对于治疗效果的预测也有一定价值. Wagner等[15]发现MPO也可以作为IBD治疗效果的评价指标, 且敏感性优于EPX, 次于粪便钙铁蛋白. 目前来说, MPO在IBD活动性评价、疗效评估方面有一定价值, 但是敏感性及特异性均不是很高, 不能单独应用于临床.

6 结论

近年来, 随着检测技术的进步, 关于IBD粪便标志物的研究越来越多. Langhorst等[51]研究发现多形核中性粒细胞弹性蛋白酶(polymorphonuclear neutrophil elastase, PMN-e)在评估IBD活动性、鉴别IBD和IBS方面都有一定作用. Wagner等[15]认为EPX可以联合其他炎性指标评估IBD治疗效果, 可以作为IBD生物学指标之一. Kolho等[10]对以儿童IBD患者为研究对象, 发现MMP-9在诊断及评估活动性方面有一定价值, 尤其是在UC患者中. 这些生物学标志物对于IBD可能有一定的应用价值, 但具体应用于临床还需要不断深入研究, 综合对比.

总之, IBD粪便标志物钙卫蛋白、乳铁蛋白、PKM2、S100A12、MPO等在诊断及鉴别诊断、评估活动性、预测治疗效果等方面都有良好的应用前景. 但目前为止, 还没有发现一种完美的分子生物学指标可以代替传统的内镜检查和病理组织学分析. 现在研究较多的粪便钙卫蛋白和乳铁蛋白, 国内外学者普遍认为二者有望成为临床上新型IBD生物学指标. 但是国内外的研究尚未达成共识, 缺乏统一的临界值, 结论也不统一. 相信随着对IBD病因及机制研究的深入、检验技术的进步, 将会发现一种理想的、非侵袭性的粪便标志物.

评论

背景资料

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一种病因尚不十分清楚的慢性非特异性肠道炎性疾病, 包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn's disease, CD). 目前主要依靠内镜检查联合病理活检进行诊断及评估病情, 但具有以下缺点: 侵入性、费时、费力、不可多次重复操作、加重患者痛苦. 所以亟需找到一种无创、简单、高敏感性、高特异性的检测方法, 近来发现粪便标志物具有检测简单、快捷、无创、可反复进行、患者易于接受等优点, 可应用于临床.

同行评议者

陈凤媛, 副教授, 复旦大学附属上海市第五人民医院消化科; 张志宏, 副主任医师, 四川省人民医院消化内科

研发前沿

处于活动期的IBD患者粪便钙卫蛋白、乳铁蛋白、M2型丙酮酸激酶、S100A12、髓过氧化物酶均有不同程度升高, 其中钙卫蛋白、乳铁蛋白敏感性、特异性明显高于其他, 且二者在诊断、鉴别诊断、评估疗效方面也具有重要意义.

相关报道

粪便标志物是目前研究的热门, 国内外研究均提示粪便钙卫蛋白、乳铁蛋白对于IBD患者有重要作用, 还有相关研究表明M2型丙酮酸激酶、S100A12、髓过氧化物酶对于IBD患者有一定意义, 联合上述指标可达到高敏感性、特异性.

创新盘点

目前粪便标志物研究主要集中于钙卫蛋白、乳铁蛋白, 本文详细描述了二者的意义, 并介绍近年来发现的其他粪便标志物及其在IBD中的应用.

应用要点

IBD粪便标志物钙卫蛋白、乳铁蛋白、PKM2、S100A12、MPO等在诊断及鉴别诊断、评估活动性、预测治疗效果等方面都有良好的应用前景.

同行评价

本文介绍了IBD近来研究较为热门的非肠道活检所需要的指标-粪便标志物, 详细指出了几项标志物在诊断、评价疾病活动度和鉴别IBS等方面的意义.

备注

编辑:于明茜 电编:闫晋利

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