实时呼气质谱代谢组学评估成人囊性纤维化患者CFTR调节剂早期疗效：一项开放标签概念验证研究

《Journal of Cystic Fibrosis》：Real-time breath metabolomics to assess early response to CFTR modulators in adults with cystic fibrosis: An open-label proof-of-concept study

　　

背景：高效CFTR调节剂特别是elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor（ETI），可在囊性纤维化（Cystic Fibrosis, CF）人群中产生快速临床改善，但轻度疾病或非典型突变患者难以通过 spirometry（spirometry）或汗液氯离子浓度（sweat chloride concentration, SCC）检测早期效应。呼出气富含反映代谢及炎症过程的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）。研究人员旨在明确ETI是否诱导呼气质谱特征的早期可测变化，及其与临床结局的关联。 方法：纳入10例启动ETI治疗的成人CF患者，于基线、第1周和第1个月采集呼出气，采用实时质子转移反应－质谱（Proton-Transfer-Reaction Mass Spectrometry, PTR-MS）检测VOCs。使用线性混合效应模型（Linear Mixed-Effects Model, LMM）、重复测量ANOVA同步成分分析加模型（Repeated Measures ANOVA–Simultaneous Component Analysis plus, RM-ASCA+）评估纵向变化，重复测量相关分析检验与肺功能及SCC的关联，并与健康对照队列比较。 结果：8例临床应答者中，ETI启动后11个质谱特征显著改变，其中8个在基线不同于健康人并在1个月内向健康水平偏移。RM-ASCA+识别出单调与非单调代谢响应模式。基于11个特征的偏最小二乘判别分析（Partial Least Squares – Discriminant Analysis, PLS-DA）模型分类访视准确度高（AUC＝0.84–0.96）。10种VOCs与临床指标相关，推定注释指向气道微生物组及能量代谢偏移。 结论：ETI诱导呼出气VOCs快速改变，多数趋向健康参考值且与临床改善相关。实时呼气质谱分析是有前景的无创替代手段，可用于CFTR调节剂早期治疗反应监测。

论文解读：实时呼气质谱代谢组学评估成人囊性纤维化患者CFTR调节剂早期疗效——一项开放标签概念验证研究（Bardin E等，Journal of Cystic Fibrosis）

研究背景

囊性纤维化（Cystic Fibrosis, CF）是由CFTR（Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator）蛋白功能缺陷所致遗传病，肺病变是主要死因。CFTR调节剂——校正剂（correctors，如tezacaftor、elexacaftor）联合增效剂（potentiator，如ivacaftor）组成的三联疗法elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor（ETI），可恢复CFTR氯离子通道功能、再水化气道表面液体并恢复黏液纤毛清除，已在适应证人群中实现前所未有的FEV₁（Forced Expiratory Volume in 1 second，第一秒用力呼气容积）及生活质量改善。然而，目前评价ETI疗效主要依赖ppFEV₁（percent predicted FEV₁，预测值百分比FEV₁）和SCC（Sweat Chloride Concentration，汗液氯离子浓度），前者在基线肺功能保留、幼儿或伴不可逆肺结构损毁者中敏感性不足，后者与呼吸道临床改善相关性有限，部分患者出现延迟或局限性的肺功能/SCC反应。此外，ETI还可降低急性加重频率、减轻气道炎症、改善营养状态，但缺乏能跨基因型及疾病严重度捕获早期生物学效应的替代终点。呼出气含大量源于炎症、氧化应激及酶促代谢途径的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs），可通过无创在线质子转移反应质谱（Proton-Transfer-Reaction Mass Spectrometry, PTR-MS）实时定量。既往研究显示CF患者及接受Lumacaftor/Ivacaftor双联疗法者存在特征性呼气质谱改变，但ETI的早期呼气质谱动力学及其与临床转归的关系尚未阐明。因此，研究人员假设ETI会引起CF患者呼气质谱特征早期偏移，且该偏移与临床应答相关联，进而开展此项前瞻性概念验证研究。

主要关键技术方法

研究人员在法国Foch教学医院开展前瞻性开放标签研究，纳入≥18岁启动标准或同情用药ETI的CF成人患者（n=10，最终8例临床应答者纳入主要分析），设基线（V0）、治疗后第1周（V1）、第1个月（V2）三个访视；同期纳入年龄匹配健康青年成人对照队列（n=40）。每次访视记录症状、行ATS/ERS标准 spirometry测定ppFEV₁与ppFVC（percent predicted Forced Vital Capacity，预测值百分比用力肺活量），按欧洲CF协会推荐用Macroduct?系统测SCC；临床应答定义为ppFEV₁升高≥10% 和/或 SCC下降>20 mmol/L。呼出气经口含一次性咬嘴直接入PTR-Qi-TOF MS（PTR-Quadrupole interface-Time of Flight MS），采集5次约15秒呼气（间隔40秒）。原始质谱数据经质量校准、呼气相识别、峰去卷积、PQN（Probabilistic Quotient Normalisation，概率商归一化）及log转换与自标度化；剔除冗余水簇/碎片离子后保留92个特征。统计学采用线性混合效应模型（LMM，访视为固定效应、患者为随机效应）检验各特征纵向变化，RM-ASCA+（Repeated Measures ANOVA–Simultaneous Component Analysis plus）提取时间主成分模式，multilevel PLS-DA（Partial Least Squares – Discriminant Analysis）结合留一法交叉验证及RFE（Recursive Feature Elimination，递归特征消除）筛选最优标志物组合，Wilcoxon-Mann-Whitney检验比较CF与健康对照，重复测量相关（rmcorr）分析VOCs与ppFEV₁、ppFVC、SCC关联，所有p值经Benjamini–Hochberg FDR校正。

研究结果

3.1. Study population and clinical response（研究人群与临床应答）

10例CF成人（中位年龄34岁，2例女性；含F508del纯合/复合、少见及无义突变，3例超适应证同情用药），基线ppFEV₁18%–120%，均检出呼吸道病原菌（铜绿假单胞菌5例、金黄色葡萄球菌5例）。经ETI治疗1个月后8例达临床应答标准（6例F508del携带者在V2即满足，1例同情用药在V2两个月评价为延迟应答，另1例超适应证无应答并停药），1例因失眠自行停ETI且ppFEV₁增幅未达标判为不确定。轻不良反应包括皮疹（3/10）与失眠（1/10），痰培养定性在基线与随访间无变。结论：入组CF人群具基因型与治疗背景异质性，ETI在多数（8/10）患者中产生明确临床应答，可供后续呼气质谱分析。

3.2. Breath analysis（呼气质谱分析）

3.2.1. Detection of VOCs（VOCs检测）

从29份呼气样本中稳定检出99个质谱特征，归为甲醇、乙醇、乙酸、丙酸、丁酸相关离子簇及脱水形式，去冗余保留92个特征进入分析。无监督PCA显示个体间差异为主要变异源，数据集同质。结论：PTR-MS可在CF患者呼出气中稳定获取并质控小分子VOC特征谱。

3.2.2. Changes in breath profiles（呼气质谱特征的变化）

LMM在8例应答者中识别出11个VOC特征随ETI显著改变（FDR p<0.05），其中8个在基线区别于健康对照并于V1起向健康水平偏移，V2时尚有7个未完全回归健康范围。RM-ASCA+模型解释总方差5%归因于时间，PC1（占时间相关方差53%）捕获单调变化（如m/z 85.10递增、m/z 74.06递减）；PC2（47%）捕获非单调模式——V1急变后V2回稳（如m/z 87.08）、V1无变V2显著偏移（如m/z 63.04、139.15）或V1偏移V2回归。Multilevel PLS-DA全特征AUC V0=0.89、V1=0.90、V2=0.72；经RFE优选11特征建模后V2分类AUC升至0.96，V0=0.84、V1=0.86。结论：ETI诱导部分呼出VOCs在1周内即现偏移、1个月趋近健康，存在渐进与急缓不同时间动力学；11-VOC组合可高精度区分治疗1个月时点，提示其作为ETI早期应答标志物的潜力。

3.2.3. Correlations with clinical outcomes（与临床结局的相关性）

重复测量相关显示10个VOC特征分别与ppFEV₁（5个）、ppFVC（6个）、SCC（2个）显著相关，其中5个亦为LMM筛选出的ETI响应特征；例如丁酸簇（m/z 89.06/71.05/107.08）与ppFEV₁、ppFVC负相关，与SCC正相关且在应答者中下降。结论：呼气质谱动态变化与肺功能及CFTR功能生物标记（SCC）相关联，支持其作为治疗反应的生理相关替代指标。

3.2.4. Feature annotation（特征推定注释）

除已知甲醇、乙醇、短链脂肪酸（乙酸 m/z 61.03、丙酸 m/z 75.04簇、丁酸 m/z 89.06簇）外，推定注释包括异戊二烯（isoprene, m/z 69.09）、2-丁酮（2-butanone, m/z 73.06）、2-戊酮（2-pentanone, m/z 87.08）、乙醛水簇（acetaldehyde+H₂O, m/z 63.04）、戊酸（pentanoic acid, m/z 103.08）、邻异丙基甲苯（o-cymene, m/z 135.11）及数个小链烯烃/碎片离子。结论：ETI相关的呼出标志物涉及气道微生物代谢产物（SCFA）及能量代谢衍生物（酮体、糖酵解中间体、胆固醇合成副产物isoprene），提示ETI可能通过恢复上皮离子转运、减轻炎症与重构气道微生态及全身代谢平衡发挥作用。

讨论与结论总结

本研究首次证明ETI在成人CF中诱导呼出VOCs快速（≤1周）且进行性向健康水平偏移，单调与非单调时间模式分别对应渐进生物学适应与急缓多层机制（离子转运纠正、炎症下调、黏液清除改善、膜重塑、微生态缓慢重构）。SCFA类下降提示气道/全身微生物组及炎症负荷改变，糖酵解及cholesterol biosynthesis相关VOCs变化反映静息能耗降低。11-VOC PLS-DA模型AUC达0.96（V2），多个VOCs与ppFEV₁、ppFVC、SCC显著相关，表明实时breath VOC profiling可在spirometry或SCC欠敏感场景（轻症、幼儿、非典型突变、延迟应答）提供无创早期药效监测依据，也可拓展至新型CFTR调节剂theratyping及伴CFTR功能障碍的非CF气道病（COPD、哮喘、支气管扩张）。局限含样本量小及仅观察1月，长期稳态待进一步研究。

结论（翻译）

Elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor（ETI）诱导囊性纤维化成人患者呼出气挥发性有机化合物发生快速且可测量的改变，多数特征趋向于健康对照水平并与临床改善相关。实时呼气质谱分析是一种有前景的无创替代方法，可用于CFTR调节剂治疗早期反应监测。