早期蛋白水解生物标志物在急性胰腺炎中的应用：一项回顾性观察研究中与临床、生化及影像学严重程度的关联分析

《Biomedicines》：Early Proteolytic Biomarkers in Acute Pancreatitis: Associations with Clinical, Biochemical, and Imaging Severity in a Retrospective Observational Study

　　

摘要专业翻译 背景：急性胰腺炎（acute pancreatitis, AP）高风险患者的早期识别仍具挑战性，因为具有临床意义的相关疾病异质性在初次评估时可能尚未完全显现。腺泡细胞内胰腺消化酶原的过早激活是AP病理生理学的核心事件，与此蛋白水解过程直接相关的生物标志物可能提供与非特异性炎症标志物生物学上截然不同的信息。本研究采用互补的统计学、贝叶斯（Bayesian）及机器学习方法，探讨了AP患者早期血清和尿液胰蛋白酶原-2（trypsinogen-2）及胰蛋白酶激活肽（trypsin activation peptide, TAP）的预后相关性。 方法：这项回顾性观察队列研究纳入73例AP成人患者，所有患者在入院后24小时内完成血清和尿液蛋白水解生物标志物检测。影像学严重程度采用改良CT严重程度指数（modified Computed Tomography Severity Index, mCTSI）评估，共66例患者可获得该数据。采用Spearman相关分析和贝叶斯推断评估生物标志物与临床或影像学变量之间的关联。受试者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）分析评估了尿液胰蛋白酶原-2对mCTSI ≥ 4和mCTSI ≥ 8的判别能力。采用多重中介模型评估C反应蛋白（C-reactive protein, CRP）与mCTSI之间的间接通路。采用无监督K均值聚类识别蛋白水解谱型，同时构建弹性网络（Elastic Net）和随机森林（Random Forest）模型以预测较高影像学严重程度（mCTSI ≥ 6）和对数转换后的CRP。未进行数据填补；每项分析均使用可用的有效观测值。 结果：尿液胰蛋白酶原-2浓度在轻、中、重度影像学分类间显著递增（中位数分别为5149.8、11,952.8和27,008.6 pg/mL；Kruskal–Wallis检验p = 0.0073）。对于mCTSI ≥ 8，尿液胰蛋白酶原-2的AUC为0.791（95% CI，0.638–0.944），在阈值>14,707 pg/mL时敏感度为77.8%、特异度为75.4%，阴性预测值为95.6%。对于mCTSI ≥ 4，AUC为0.683（95% CI，0.550–0.817）。尿液胰蛋白酶原-2与mCTSI（rho = 0.412，p < 0.001）、血清胰蛋白酶原-2（rho = 0.512，p < 0.001）及尿液TAP（rho = 0.447，p < 0.001）呈正相关，但与CRP、淀粉酶或脂肪酶无显著相关。贝叶斯分析为尿液胰蛋白酶原-2与mCTSI之间的关联提供了强有力证据（BF10 = 42.37）。在中介模型中，通过尿液胰蛋白酶原-2的间接通路具有统计学显著性（β = 0.14，p = 0.009）。K均值聚类识别出三种蛋白水解谱型，其在年龄、CRP和BISAP评分方面存在显著差异（p分别为0.003、p < 0.001和p < 0.001）。对于mCTSI ≥ 6，随机森林的AUC为0.86，弹性网络的AUC为0.81，尿液胰蛋白酶原-2在两种模型中均为最重要的预测因子。在CRP回归中，随机森林的R2为0.53，弹性网络的R2为0.41。 结论：早期尿液胰蛋白酶原-2与影像学严重程度持续相关，并在频率学派相关分析、贝叶斯推断、中介分析、聚类分析和机器学习等多个分析框架中均表现为最强预测因子。这些发现支持其作为AP多模式早期风险分层组成部分的潜在作用，提供与传统临床和生化评估互补的信息。然而，所确定的ROC阈值和机器学习模型仍属探索性结果，在临床实施前需进行前瞻性多中心外部验证。

论文解读文章

一、研究背景与研究目的

急性胰腺炎（acute pancreatitis, AP）是一种胰腺急性炎症性疾病，也是全球范围内急诊住院的重要原因。近年来其发病率呈持续上升趋势，尤其在欧洲和北美地区。尽管许多患者病程自限，但仍有相当比例的患者会发展为持续性器官衰竭、胰腺或胰外并发症以及伴有显著发病率和死亡率的重症疾病。因此，在疾病早期识别高风险患者始终是临床面临的重大挑战。

修订版亚特兰大分类为AP的定义和分层建立了标准化框架，根据器官衰竭的存在与持续性以及局部或全身并发症，将疾病区分为轻症、中重症和重症。然而，AP的临床轨迹高度异质，严重程度表型在初次评估时可能尚未完全显现。传统的预后评估方法，包括Ranson评分、急性生理与慢性健康评估II（APACHE II）、急性胰腺炎严重程度床旁指数（BISAP）以及基于影像的评分系统，整合了多种临床、实验室和放射学变量，但往往需要重复测量或影像学复查才能最终明确严重程度。这为能够捕捉临床明显疾病进展之前生物学过程的早期生物标志物创造了迫切需求。

腺泡细胞内胰腺消化酶原的过早激活是AP病理生理学的核心事件。胰蛋白酶原在胰腺内转化为胰蛋白酶，启动了蛋白酶激活、细胞损伤、炎症和胰腺组织损伤的级联反应，为早期腺泡损伤与随后的局部和全身炎症反应提供了机制联系。与此蛋白水解过程直接相关的生物标志物，可能提供与非特异性炎症标志物生物学上截然不同的信息。在候选标志物中，胰蛋白酶原-2（trypsinogen-2）和胰蛋白酶激活肽（trypsin activation peptide, TAP）尤为值得关注，因为它们反映了疾病早期阶段胰腺蛋白水解通路的激活状态。

既往研究已表明，尿液胰蛋白酶原-2作为AP快速检测标志物具有临床价值，但其性能因评估时机和所选阈值而异。TAP作为早期蛋白酶激活的标志物同样受到关注，一项荟萃分析报告了入院时尿液TAP预测疾病严重程度的汇总敏感度和特异度约为71%和75%，汇总AUC为0.83。然而，证据基础仍存在异质性，包括检测方法、阈值、采样时机和严重程度定义方面的差异。一个重要的未解问题是，血清和尿液蛋白水解标志物的测量是否提供可互换或互补的信息。同时，计算方法的日益普及为超越传统单标志物分析创造了机会。

本研究旨在评估AP患者入院后早期血清和尿液TAP及胰蛋白酶原-2浓度，并探讨其与改良CT严重程度指数（modified Computed Tomography Severity Index, mCTSI）评估的影像学严重程度之间的关联。研究进一步整合了传统统计分析、贝叶斯相关分析、中介分析、无监督聚类和机器学习方法，以表征早期蛋白水解激活、影像学严重程度和全身炎症之间的关系。

二、关键技术与方法

研究人员开展了一项回顾性观察队列研究，纳入73例AP成人患者，所有患者均在入院后24小时内完成血清和尿液蛋白水解生物标志物检测。研究数据来源于罗马尼亚雅西“Grigore T. Popa”医药大学的临床和实验室数据集。研究对数据进行了严格的质量审核，包括患者标识验证、重复记录核对、变量名称和单位审查、缺失观测识别以及记录值与校正值的一致性评估。影像学严重程度采用mCTSI评估，共66例患者可获得有效评分。主要分析方法包括：Spearman秩相关分析评估生物标志物与临床和生化变量的关联；贝叶斯相关分析量化关联证据强度；受试者工作特征（ROC）分析评估尿液胰蛋白酶原-2对影像学严重程度的判别能力；多重中介模型探讨CRP与mCTSI之间的间接通路；无监督K均值聚类识别蛋白水解谱型；弹性网络（Elastic Net）和随机森林（Random Forest）模型预测较高影像学严重程度（mCTSI ≥ 6）和对数转换后的CRP。所有分析均使用可用的有效观测值，未进行数据填补。

三、研究结果

1. 基线特征与生物标志物分布

研究队列包括73例AP成人患者，平均年龄50.8 ± 15.9岁。有效mCTSI为66例（90.4%），有效CRP为70例，有效淀粉酶和脂肪酶为68例。蛋白水解生物标志物浓度表现出显著变异性：尿液胰蛋白酶原-2中位数为8020.2 pg/mL，尿液TAP中位数为2.09 ng/mL，血清胰蛋白酶原-2中位数为3138.8 pg/mL，血清TAP中位数为4.81 ng/mL。平均CRP为9.84 ± 11.92 mg/L，平均mCTSI评分为4.3 ± 2.4。

2. 影像学严重程度与尿液胰蛋白酶原-2

在66例具有有效mCTSI的患者中，20例（30.3%）为轻度影像学严重程度（mCTSI 0–2），37例（56.1%）为中度（mCTSI 4–6），9例（13.6%）为重度（mCTSI 8–10）。尿液胰蛋白酶原-2浓度在三个mCTSI分类间呈进行性升高，中位数分别为5149.8、11,952.8和27,008.6 pg/mL，组间差异具有统计学显著性（Kruskal–Wallis H = 9.84，p = 0.0073）。与轻度相比，中度类别中位数约升高2.3倍，重度类别约升高5.2倍。

3. 尿液胰蛋白酶原-2的判别性能

ROC分析显示，对于重度影像学受累（mCTSI ≥ 8），尿液胰蛋白酶原-2的AUC为0.791（95% CI，0.638–0.944；p = 0.002），最优阈值为>14,707 pg/mL，敏感度77.8%，特异度75.4%，阳性预测值33.3%，阴性预测值95.6%。对于至少中度影像学受累（mCTSI ≥ 4），AUC为0.683（95% CI，0.550–0.817；p = 0.012），最优阈值为>4041 pg/mL，敏感度76.1%，特异度60.0%。

4. Spearman相关分析

尿液胰蛋白酶原-2与mCTSI呈显著正相关（rho = 0.412，p < 0.001），与年龄（rho = 0.241，p = 0.041）、血清胰蛋白酶原-2（rho = 0.512，p < 0.001）、尿液TAP（rho = 0.447，p < 0.001）和血清TAP（rho = 0.289，p = 0.013）均呈正相关。但与CRP（rho = 0.158，p = 0.192）、淀粉酶（rho = 0.062，p = 0.614）、脂肪酶（rho = ?0.031，p = 0.802）和葡萄糖（rho = 0.112，p = 0.359）无显著相关。

5. 贝叶斯相关分析

尿液胰蛋白酶原-2与mCTSI的关联证据强有力（BF₁₀ = 42.37；后验r = 0.412，95% CrI，0.198–0.592；99.9%正向概率）。血清胰蛋白酶原-2与mCTSI也呈正相关（BF₁₀ = 18.73）。尿液TAP与mCTSI的贝叶斯证据最强（BF₁₀ = 52.61）。血清与尿液胰蛋白酶原-2之间（BF₁₀ > 100）以及尿液TAP与尿液胰蛋白酶原-2之间（BF₁₀ > 100）的相关证据极强。相比之下，尿液胰蛋白酶原-2与CRP（BF₁₀ = 0.92）、淀粉酶（0.41）和脂肪酶（0.32）的关联证据有限。

6. 中介分析

多重中介模型（5000次自举抽样）显示，CRP与mCTSI的总关联具有统计学显著性（β = 0.28，p = 0.012）。纳入两种胰蛋白酶原-2作为中介变量后，直接关联不再显著（β = 0.08，p = 0.482）。总间接效应显著（β = 0.20，p = 0.004），其中通过尿液胰蛋白酶原-2的间接通路显著（β = 0.14，p = 0.009），而通过血清胰蛋白酶原-2的通路不显著（β = 0.06，p = 0.124）。

7. 无监督蛋白水解聚类

K均值聚类识别出三种蛋白水解谱型：聚类1（n = 28）四种标志物浓度最低，聚类2（n = 24）为中等浓度，聚类3（n = 21）浓度最高。三个聚类在所有四种蛋白水解标志物上均存在显著差异（p < 0.001）。年龄（p = 0.003）、CRP（p < 0.001）和BISAP评分（p < 0.001）在聚类间呈递增趋势。病因学在聚类间无显著差异（p = 0.082）。

8. 机器学习分类模型

对于mCTSI ≥ 6的分类任务（66例患者中24例符合标准），采用70/30训练-测试分割（46例训练，20例测试）和5折交叉验证。弹性网络测试集准确度为0.78，AUC为0.81（95% CI，0.72–0.89）；随机森林准确度为0.82，AUC为0.86（95% CI，0.78–0.93）。尿液胰蛋白酶原-2在两种模型中均为最重要的预测因子。

9. 机器学习回归模型

对于对数转换CRP的回归预测（70例患者），弹性网络的R²为0.41，RMSE为0.84，MAE为0.63；随机森林的R²为0.53，RMSE为0.76，MAE为0.54。尿液胰蛋白酶原-2再次成为最重要的预测因子，年龄和尿液TAP也有重要贡献。

10. 纵向分析（24小时 vs. 48小时）

48小时时各标志物中位数较24小时呈下降趋势，但因样本量有限和数据不完整，未进行正式统计检验。

四、讨论总结与研究结论

讨论部分指出，本研究的核心发现是尿液胰蛋白酶原-2与影像学严重程度的持续关联，这一关联在频率学派相关分析、贝叶斯推断、ROC分析、中介建模和机器学习等多种分析框架中得到重现。尿液胰蛋白酶原-2与CRP、淀粉酶和脂肪酶缺乏显著相关，表明蛋白水解激活代表了传统炎症标志物或诊断性胰腺酶未能完全捕获的生物学维度。中介分析识别出涉及尿液胰蛋白酶原-2的显著间接统计通路，支持蛋白水解激活、全身炎症和结构性严重程度之间存在相互作用，但不确立因果关系。无监督聚类揭示了三种蛋白水解谱型，表明AP患者之间存在显著的生物学异质性，但这些聚类应视为探索性谱型而非经过验证的生物学内型。机器学习分析一致显示尿液胰蛋白酶原-2的重要性，增强了观察到的生物标志物信号的内部一致性。研究局限性包括队列规模较小且为回顾性设计、影像学严重程度仅对66/73例患者可用、重度影像学病例数量有限导致ROC估计置信区间较宽、ROC阈值属于探索性研究衍生阈值而非临床验证截断值，以及机器学习模型在小队列中可能存在乐观偏差。未来研究应聚焦于标准化采样窗口的前瞻性多中心验证、纵向生物标志物轨迹评估以及多模式整合。

研究结论认为，本研究支持早期蛋白水解生物标志物（尤其是尿液胰蛋白酶原-2）在AP影像学严重程度评估中的潜在价值。尿液胰蛋白酶原-2浓度在mCTSI定义的严重程度分类间显著递增，并在频率学派和贝叶斯分析中均与较高影像学严重程度持续相关。对于mCTSI ≥ 8，尿液胰蛋白酶原-2表现出具有临床意义的判别性能（AUC = 0.791），在研究衍生阈值下具有高阴性预测值。尿液胰蛋白酶原-2与CRP、淀粉酶或脂肪酶之间缺乏显著相关，表明蛋白水解激活代表了传统炎症或诊断性胰腺酶未能完全捕获的生物学维度。中介分析识别出涉及尿液胰蛋白酶原-2的显著间接统计通路。无监督聚类揭示了三种蛋白水解谱型，表明AP患者存在显著的生物学异质性。机器学习分析一致显示尿液胰蛋白酶原-2的重要性。总体而言，这些发现支持早期蛋白水解生物标志物（尤其是尿液胰蛋白酶原-2）可能通过提供与传统临床和生化评估互补的信息，为AP多模式风险分层做出贡献。在将尿液胰蛋白酶原-2或蛋白水解机器学习模型纳入常规临床决策之前，需要进行标准化采样、更大队列、纵向生物标志物测量、外部验证和临床相关结局的前瞻性多中心研究。