Construction and validation of a predictive model for septic shock based on propensity score matching
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摘要:目的
基于倾向性评分匹配(PSM)方法构建脓毒性休克预测模型并进行效能验证。
方法选取114例脓毒症患者作为研究对象, 根据是否并发脓毒性休克分为脓毒性休克组40例和脓毒症组74例。对研究对象进行PSM(脓毒性休克: 脓毒症=1∶2), 匹配后，脓毒性休克组、脓毒症组分别纳入30、60例。比较2组入院时的C反应蛋白(CRP)、降钙素原(PCT)、白细胞介素-6(IL-6)、血清淀粉样蛋白A(SAA)、可溶性内皮细胞蛋白C受体(sEPCR)、内皮细胞特异性分子1(ESM-1)、簇集蛋白(CLU)和急性生理学与慢性健康状况评分系统Ⅱ(APACHE Ⅱ)评分、脓毒症相关序贯器官衰竭(SOFA)评分，采用Cox比例风险回归模型分析脓毒性休克的影响因素，构建脓毒性休克预测模型，并通过受试者工作特征(ROC)曲线进行内部验证。绘制Kaplan-Meier生存曲线，分析各指标不同表达水平患者的生存预后差异。
结果匹配后, 2组一般资料比较，差异无统计学意义(P>0.05);脓毒性休克组入院时血清PCT、CRP、SAA、IL-6、sEPCR、ESM-1水平及APACHEⅡ评分、SOFA评分均高于脓毒症组，血清CLU水平低于脓毒症组，差异有统计学意义(P < 0.05)。Cox回归分析结果显示, PCT、CRP、SAA、IL-6、sEPCR、ESM-1、APACHE Ⅱ评分及SOFA评分均为脓毒血症休克的独立危险因素(P < 0.05), CLU则为独立保护因素(P < 0.05);基于这些因素构建脓毒性休克预测模型，内部验证结果显示其准确度为94.44%, 曲线下面积为0.950, 敏感度为93.33%, 特异度为96.67%。死亡患者入院时PCT、CRP、SAA、IL-6、sEPCR、ESM-1水平及APACHE Ⅱ评分、SOFA评分均高于存活患者, CLU水平低于存活患者，差异有统计学意义(P < 0.05);与低表达水平或低分值患者相比, PCT、CRP、SAA、IL-6、sEPCR、ESM-1高表达水平患者和APACHE Ⅱ评分、SOFA评分高分值患者的病死率更高, CLU高表达水平患者的病死率更低，差异有统计学意义(P < 0.05)。
结论脓毒症患者的血清生物标志物PCT、CRP、SAA、IL-6、sEPCR、ESM-1、CLU水平和APACHEⅡ评分、SOFA评分均与脓毒性休克的发生及生存预后密切相关，联合这些指标构建的预测模型能够准确预测脓毒性休克的发生。
Abstract:ObjectiveTo construct a predictive model for septic shock based on the propensity score matching (PSM) method and validate its effectiveness.
MethodsA total of 114 patients with sepsis were enrolled as study objects, and were divided into septic shock group (40 patients) and sepsis group (74 patients) according to whether they developed septic shock. PSM was performed with a ratio of septic shock to sepsis of 1∶2, resulting in the inclusion of 30 patients in the septic shock group and 60 patients in the sepsis group after matching. The levels of C-reactive protein (CRP), procalcitonin (PCT), interleukin-6 (IL-6), serum amyloid A (SAA), soluble endothelial protein C receptor (sEPCR), endothelial cell-specific molecule 1 (ESM-1), clusterin (CLU), and the Acute Physiology and Chronic Health Evaluation Ⅱ (APACHE Ⅱ) score and Sequential Organ Failure Assessment (SOFA) score at admission were compared between the two groups. Cox proportional hazards regression analysis was used to identify the factors influencing septic shock, and a predictive model for septic shock was constructed and internally validated using the receiver operating characteristic (ROC) curve. Kaplan-Meier survival curves were plotted to analyze the differences in survival prognosis among patients with different expression levels of the indicators.
ResultsAfter matching, there were no statistically significant differences in general information between the two groups (P>0.05). At admission, the septic shock group had higher levels of serum PCT, CRP, SAA, IL-6, sEPCR, ESM-1, and higher APACHE Ⅱ and SOFA scores, as well as a lower level of serum CLU compared with the sepsis group (P < 0.05). Cox regression analysis showed that PCT, CRP, SAA, IL-6, sEPCR, ESM-1, APACHE Ⅱ score, and SOFA score were independent risk factors for septic shock (P < 0.05), while CLU was an independent protective factor (P < 0.05). The predictive model for septic shock, constructed based on these factors, showed an internal validation accuracy of 94.44%, an area under the curve of 0.950, a sensitivity of 93.33%, and a specificity of 96.67%. Dead patients had higher levels of PCT, CRP, SAA, IL-6, sEPCR, ESM-1, and higher APACHE Ⅱ and SOFA scores, as well as a lower level of CLU at admission compared with survivors (P < 0.05). Compared with patients with low expression levels or low scores, patients with high expression levels of PCT, CRP, SAA, IL-6, sEPCR, ESM-1, and high APACHE Ⅱ and SOFA scores had higher fatality rates, while patients with high CLU expression levels had a lower fatality rate (P < 0.05).
ConclusionThe serum biomarkers including PCT, CRP, SAA, IL-6, sEPCR, ESM-1, CLU, and the APACHE Ⅱ and SOFA scores in sepsis patients are closely related to the occurrence of septic shock and survival prognosis. The predictive model constructed by combining these indicators can accurately predict the occurrence of septic shock.
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Keywords:
- sepsis /
- septic shock /
- C-reactive protein /
- procalcitonin /
- interleukin-6 /
- serum amyloid A
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双黄连由金银花[1-2]、黄芩[3-4]和连翘[5-6]这3味药组成，临床上常被用于治疗呼吸道感染性疾病等。既往研究[7]表明，双黄连可抑制H9N2亚型禽流感病毒(AIV)引起的小鼠肺炎实变，延长生存时间，降低肺病毒滴度。近年来，双黄连在临床应用中的不良反应报道多见，尤以注射剂型最为显著，极少数患者可出现过敏性休克甚至死亡[8-10]。双黄连不良反应的发生率和严重程度与药物剂型密切相关，注射剂型高于口服剂型[11-12]。雾化吸入是临床常用的给药途径，可将药物直接输送到患者的呼吸道内，可达到较高的局部药物浓度，减少全身不良反应[13-14]。目前，双黄连以雾化吸入方式治疗H9N2亚型AIV的研究尚未见报道。本研究以H9N2亚型AIV感染小鼠建立模型，进行双黄连雾化吸入(SHL Inh)干预，通过观察小鼠肺部炎症和肺病毒滴度，评价双黄连雾化给药对小鼠H9N2亚型AIV感染的疗效，并比较雾化给药与注射给药疗效的差异，现将结果报告如下。
1. 材料与方法
1.1 实验动物和病毒
Balb/c小鼠45只, 5~6周龄，雌性，无特定病原体(SPF)级，体质量(15.20±0.93) g, 广东省医学实验动物中心提供，合格证编号44007200059858。H9N2亚型AIV, A/Chicken/Guangdong/1996(H9N2), 华南农业大学陈建新教授馈赠，本实验室扩增保存。
1.2 实验药物与试剂
注射用双黄连(冻干)，哈药集团中药二厂提供，批号1807508。奥司他韦，罗氏制药提供，编号HEC-Amms-0910017。ELISA试剂盒(R & D Systems品牌，购自上海优宁维生物科技股份有限公司)，白细胞介素-6(IL-6)(货号M6000B)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)(货号MTA00B)和重组人趋化因子CXCL9(MIG)(货号MCX900)。
1.3 仪器
电子天平，梅特勒托利多仪器(上海)有限公司生产，型号AL20l。倒置显微镜，莱卡(Leica)公司生产，型号DM 3000。分光光度计，赛默飞世尔科技(中国)有限公司生产，型号NanoDrop 2000。压缩式雾化器，欧姆龙(大连)有限公司生产，型号C28P。小鼠雾化箱，自制。
1.4 动物分组
将45只BALB/c小鼠适应性饲养7 d, 随机分为正常对照组、病毒对照组、奥司他韦组(阳性药对照)、双黄连腹腔注射(SHL Ip)组(标准对照)和SHL Inh组共5组，每组9只。
1.5 实验处理及给药
正常对照组经鼻滴入磷酸盐缓冲液(PBS), 其他4组均经鼻吸入2个半数致死量(2 LD50)H9N2亚型AIV; 正常对照组和病毒对照组滴鼻后予蒸馏水灌胃(10 mL/kg); 奥司他韦组予奥司他韦灌胃, 75 mg/(kg·d); SHL Ip组予双黄连腹腔注射, 3 000 mg/(kg·d)。SHL Inh组予置入自制雾化箱雾化吸入给药。自制雾化箱长、宽、高分别为40、30、30 cm, 设置出入口1.5 cm2, 入口处接雾化器，出口处开放排入通风安全柜。雾化药液以无菌蒸馏水溶解注射用双黄连冻干粉，浓度为300 mg/mL, 超声雾化器以0.5 mL/min的速率持续雾化双黄连药液，气雾经导管导入雾化箱内，小鼠置于雾化箱内，以全身暴露方式[15]经鼻吸入双黄连气雾。2次/d, 1 h/次。各组均采取上述方式连续给药5 d。
1.6 标本收集与检测
每日记录各组小鼠体质量，直至第5天，处死后取肺称重，计算肺指数，肺指数=[肺质量(g)/体质量(g)]×100%[16]。取部分肺组织制作HE病理切片，其余肺组织匀浆后测定肺病毒滴度[半数组织培养感染剂量(TCID50)]、炎症因子[IL-6、MIG和TNF-α]水平。肺病毒滴度TCID50采用Reed-Muench法[17]计算。
1.7 统计学方法
采用Prism 5.0分析数据，计量资料采用(x±s)表示，组间比较采用t检验, P < 0.05为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 SHL Inh对H9N2亚型AIV感染小鼠体质量下降的抑制作用
正常对照组小鼠体质量变化率增高至(120.0±4.9)%, 病毒对照组小鼠体质量变化率降低至(87.4±5.7)%, 差异有统计学意义(P < 0.01), 感染小鼠模型成立。奥司他韦组小鼠体质量变化率增高至(108.8±5.3)%, 与病毒对照组比较，差异有统计学意义(P < 0.05), 而SHL Inh组、SHL Ip组体质量变化率分别降低至(90.9±5.8)%、(90.2±4.8)%, 与病毒对照组比较，均未能抑制感染小鼠的体质量下降，差异无统计学意义(P>0.05)。见图 1。
2.2 SHL Inh对H9N2亚型AIV感染小鼠肺指数的影响
正常对照组小鼠肺指数为(0.65±0.04)%, 病毒对照组小鼠肺指数为(1.44±0.13)%, 差异有统计学意义(P < 0.001), 感染小鼠模型成立。与病毒对照组比较，奥司他韦组、SHL Inh组、SHL Ip组小鼠肺指数(0.99±0.05)%、(1.27±0.08)%、(1.11±0.11)%均降低, 差异有统计学意义(P < 0.001或P < 0.01)。SHL Inh组肺指数高于SHL Ip组，差异有统计学意义(P < 0.01)。见图 2。
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图 2 各组小鼠的肺指数与正常对照组比较, ***P < 0.001;
与病毒对照组比较, ##P < 0.01, ###P < 0.001;
与SHL Ip组比较, △△P < 0.01。2.3 SHL Inh对H9N2亚型AIV感染小鼠肺病毒滴度的影响
病毒对照组病毒滴度为(4.06±0.41) lgTCID50/g, 奥司他韦组、SHL Inh组和SHL Ip组病毒滴度依次为(3.29±0.27)、(3.44±0.46)、(3.33±0.43) lgTCID50/g, 均低于病毒对照组病毒滴度，差异有统计学意义(P < 0.05或P < 0.01)。SHL Inh组与SHL Ip组病毒滴度的差异无统计学意义(P>0.05)。见图 3。
2.4 SHL Inh对H9N2亚型AIV感染小鼠肺组织病理的影响
正常对照组肺组织病理表现: 血管周围未见炎性浸润，肺泡间隔无增厚，肺泡无炎性浸润。病毒对照组肺组织病理表现: 血管周围炎性浸润且管壁增厚，肺泡间隔增厚，肺泡炎性浸润。奥司他韦组、SHL Ip组和SHL Inh组肺组织病理表现亦有血管周围炎症浸润，肺泡间隔增厚，但奥司他韦组、SHL Ip组和SHL Inh组肺泡无明显炎性浸润。见图 4。
2.5 SHL Inh对H9N2亚型AIV感染小鼠肺组织炎症因子的影响
与正常对照组比较，其他4组肺匀浆炎症因子IL-6、MIG和TNF-α水平均升高，差异有统计学意义(P < 0.01或P < 0.001), 感染小鼠模型成立。与病毒对照组比较，奥司他韦组IL-6、MIG和TNF-α均较低, SHL Ip组IL-6较低，差异均有统计学意义(P < 0.05或P < 0.001)。见图 5。
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图 5 各组小鼠肺组织炎症因子水平A: 各组IL-6水平比较; B: 各组MIG水平比较; C: 各组TNF-α水平比较。与正常对照组比较, **P < 0.01, ***P < 0.001;
与病毒对照组比较, #P < 0.05, ###P < 0.001。pg/g表示每克(g)肺组织中炎症因子(pg)水平。3. 讨论
禽类是甲型流感的主要宿主，其中H9N2亚型AIV是当前禽类主要的流行亚型[18]。H9N2亚型AIV不仅可以直接跨种属感染包括人类在内的哺乳动物，还可以与其他流感病毒进行基因重组而产生新型流感病毒，引起世界范围内的大流行。自2013年起在中国流行多年的H7N9亚型禽流感病毒，其6个母核片段即全部来源于H9N2[19]。因此H9N2亚型AIV构成了临床和公共卫生的重大威胁[20-21]。病毒频繁变异降低了疫苗的时效性并增加了病毒对单分子纯化合药物的耐药概率[22]。尽管总体上奥司他韦仍是众多指南[23-26]推荐的抗流感病毒的首选药物，但频繁变异的流感病毒可因不同的机制对奥司他韦、金刚烷胺等产生耐药。抗流感中药的可能作用机制为: 一方面，抗病毒中药具有直接的抗病毒作用，通过多靶点作用抑制病毒的复制; 另一方面，抗病毒中药可调节机体的免疫、抗炎功能，改善机体抗病毒的反应程度及患者的症状[27-28]。因此，抗病毒中药在治疗包括禽流感在内的流感方面具有化学药物所不具备的独特优势。
包括双黄连在内的多种中药或中成药在治疗流感病毒上显示出良好的疗效，但其注射剂型导致不良反应甚至死亡的问题也屡见报道[29-30]。与口服、肌肉注射和静脉给药等方式相比，雾化吸入疗法因药物直接作用于靶器官而具有起效迅速、疗效佳、全身不良反应少、不需要患者刻意配合等优势，在国内外已被广泛应用[31]。中药雾化在治疗皮肤、呼吸道疾病方面应用较为广泛，包括慢性阻塞性肺疾病、哮喘、呼吸道感染等[32-35]。目前双黄连抗H9N2亚型AIV的研究，尤其是以雾化吸入给药治疗AIV感染的研究较少。本研究结果表明，双黄连雾化给药可改善小鼠肺指数，降低肺病毒滴度，减轻肺病理炎症，雾化给药的疗效良好。在临床实践中，双黄连雾化给药在治疗肺部感染、呼吸道感染(包括咽喉炎、扁桃体炎和细支气管炎等)等方面表现出较好的疗效[1, 5-6, 36]。
与SHL Ip组比较时, SHL Inh组肺指数较高，但在肺病毒滴度和肺病理炎症表现上效果相当。本研究中，用于雾化的药液浓度较低，可能是影响SHL Inh组在肺指数上未能达到SHL Ip组疗效的原因。双黄连注射给药虽具有全身药物浓度较高的优点，但其注射相关不良反应也在一定程度上限制了药物的临床应用[37]。另外，中药注射剂通常需要较多液体配置，以某种双黄连注射用粉剂(600 mg/支)为例，其推荐配置液体用量需要500 mL, 对于心肾功能不全的患者而言，过多的液体将会加重心肾负担。因此，虽然双黄连雾化吸入抗病毒效果不及注射给药，但雾化吸入给药无需静脉穿刺，液体负荷低，同时无输液相关不良反应，对于心肾功能不全、过敏体质等患者，仍具有重要的补充和替代作用。
与既往双黄连抗H9N2禽流感动物实验研究相似，本研究也证实双黄连可减轻肺部炎症，降低肺指数和肺病毒滴度。在肺炎症因子表达上，本研究中SHL Ip组肺组织炎症因子IL-6表达水平降低，而SHL Inh组IL-6表达水平未降低，可能与雾化吸入浓度降低有关。在SHL Ip组和SHL Inh组中，肺组织MIG和TNF-α表达水平较病毒对照组降低，但差异无统计学意义(P>0.05), 可能与小鼠样本量较小有关。当然，本研究也存在不足之处，例如在实验模型中，本研究未能测定双黄连气雾、小鼠肺组织和血液中药物的浓度，因此无法在药代动力学上更好地解释药物对感染小鼠的疗效，后续实验中需加强此方面的研究。
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表 1 2组患者匹配前后一般资料比较(x±s)[n(%)]
指标 匹配前 匹配后 脓毒症组(n=74) 脓毒性休克组(n=40) P 脓毒症组(n=60) 脓毒性休克组(n=30) P 年龄/岁 40.58±6.12 44.49±5.76 0.01 42.15±5.62 43.19±6.14 0.39 性别 男 38(51.35) 23(57.50) 0.53 36(60.00) 20(66.67) 0.54 女 36(48.65) 17(42.50) 24(40.00) 10(33.33) 收缩压/mmHg 90.78±11.16 85.15±12.04 0.01 88.36±8.84 86.15±11.53 0.36 舒张压/mmHg 58.26±5.62 55.19±8.15 0.01 57.52±5.16 56.39±7.43 0.38 心率/(次/min) 117.58±11.85 129.92±12.31 0.01 122.45±12.64 126.86±11.74 0.11 呼吸频率/(次/min) 23.08±5.59 20.81±4.28 0.01 22.58±5.37 21.38±5.95 0.33 1 mmHg=0.133 kPa。 
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表 2 脓毒性休克影响因素的Cox回归分析
变量 B S.E. Wald χ2 P HR 95%CI CRP 0.87 0.54 2.63 0.01 2.41 0.83~6.75 SAA 0.11 0.04 8.30 0.01 1.12 1.05~1.21 SOFA评分 0.01 0.02 0.59 0.01 1.02 0.98~1.08 PCT 0.02 0.01 9.70 0.01 1.03 1.01~1.03 IL-6 0.01 0.01 5.16 0.03 1.00 1.01~1.01 APACHE Ⅱ评分 0.20 0.18 1.28 0.03 1.25 0.88~1.71 ESM-1 0.79 0.51 2.59 0.01 2.46 0.80~6.64 sEPCR 0.12 0.22 8.18 0.01 1.11 1.02~1.19 CLU -0.20 0.08 7.56 0.01 1.26 1.09~1.54 CRP: C反应蛋白; SAA: 血清淀粉样蛋白A; SOFA: 序贯器官衰竭; PCT: 降钙素原; IL-6: 白细胞介素-6; CLU: 簇集蛋白;
APACHE Ⅱ: 急性生理学与慢性健康状况评分系统Ⅱ; ESM-1: 内皮细胞特异性分子1; sEPCR: 可溶性内皮细胞蛋白C受体。
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表 3 脓毒性休克预测模型的内部验证结果
例 预测模型 实际诊断结果 合计 预测结果 脓毒症 脓毒性休克 脓毒症 56 1 57 脓毒性休克 4 29 33 合计 60 30 90
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表 4 不同实验室指标水平及APACHEⅡ评分、SOFA评分患者的死亡情况比较[n(%)]
指标 分类 死亡情况 χ2 P PCT/(ng/mL) 低表达(n=62) 2(3.23) 34.903 < 0.001 高表达(n=28) 17(60.71) CRP/(mg/L) 低表达(n=61) 2(3.28) 32.900 < 0.001 高表达(n=29) 17(58.62) SAA/(mg/L) 低表达(n=61) 2(3.28) 32.900 < 0.001 高表达(n=29) 17(58.62) IL-6/(pg/mL) 低表达(n=63) 3(4.76) 30.511 < 0.001 高表达(n=27) 16(59.26) APACHE Ⅱ评分/分 低分值(n=60) 2(3.33) 31.031 < 0.001 高分值(n=30) 17(56.67) SOFA评分/分 低分值(n=62) 3(4.84) 28.622 < 0.001 高分值(n=28) 16(57.14) ESM-1/(μg/L) 低表达(n=60) 2(3.33) 31.031 < 0.001 高表达(n=30) 17(56.67) sEPCR/(ng/mL) 低表达(n=60) 3(5.00) 25.227 < 0.001 高表达(n=30) 16(53.33) CLU/(μg/mL) 低表达(n=29) 16(55.17) 26.865 < 0.001 高表达(n=61) 3(4.92)
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