Toward a Standardized Noninvasive Approach for Detecting Air Pollution‑Induced Pulmonary Immune Activation, Oxidative Stress, and Ards Risk: a Comparative Study in Critically Ill Patients

(一)研究背景與目的 過去研究顯示，肺部在經歷外界有害因子(如：空氣污染、感染)暴露後，可能會進入一種「預活化」(primed)狀態，此種狀態下的肺組織可能已啟動低度發炎反應或氧化壓力，更易引發急性呼吸窘迫症候群(英文簡稱ARDS)，進而導致重症化甚至死亡。本研究的目的是以熱濕交換器(英文簡稱HME)作為臨床中可取得且非侵入式的樣本來源，進行蛋白質分析，找出與肺部免疫活化及氧化壓力相關的潛在生物標記，並嘗試建立一個可應用於臨床的非侵入式肺部早期傷害偵測與重症風險評估模型。 (二)前驅研究 進行實驗設計測試，使用模擬肺模擬氣管插管病人之通氣情形。使用不同型號之熱濕交換器裝置(HME Flex、800-51800、VH-3110)測試不同留置時間(1, 2, 4小時)與不同預裝液體體積(0.5-8 mL)，將液體回收後進行重量與體積分析，計算回收率。結果顯示隨著留置時間拉長，熱濕交換器可保留更多的冷凝液，然而不同的熱濕交換器其回收效果不同，以HME Flex回收率表現最佳，故未來將以此款熱濕交換器進行臨床實驗研究。 (三)研究方法 一、本研究採三年期的前瞻性臨床觀察研究設計，對象為需接受插管機械通氣之成人重症病患，著重評估HME冷凝液作為非侵入性肺部檢體之可行性及空氣汙染暴露與ARDS重症風險相關的生物標記變化。本計畫將分三階段進行：第一年進行HME樣本收集及流程確認；第二年同步收集每位受試者之HME液、血液與支氣管肺泡沖洗液，分析各檢體的蛋白質濃度與組成關聯；第三年招募ARDS與非ARDS重症病人，收集HME冷凝液並測定其免疫活化與氧化壓力相關生物標記，同時結合空氣汙染暴露資料，探討短期汙染暴露與肺部炎症、臨床預後的關聯性。 1.第一年：比較不同HME滯留時間(1、2、4小時)下回收量與蛋白質濃度，以建立標準化收集流程。故將針對各時間點進行小規模驗證，並標準化HME安裝和回收方式。 2.第二年：對符合條件的插管病人，同時收集HME冷凝液、血液和支氣管肺泡沖洗液。分別以ELISA或多重分析測定免疫與氧化壓力相關蛋白(如：IL-6、sTNFR1、SP-D等)；並以液相層析-質譜分析所有樣本中蛋白組成。透過相關分析建立HME冷凝液與血漿、BAL液間蛋白濃度與組成的關聯性，以評估HME液能否替代侵入性肺泡液作為生物標記研究樣本。 3.第三年：招募符合柏林定義的ARDS患者及非ARDS控制組重症病人。所有受試者將使用4小時滯留的HME過濾器收集冷凝液(依第一年結果選定最佳時間)，並測定免疫活化與氧化壓力標記物濃度(如：IL-6、G-CSF、sTNFR1、IL-1β、IL-8、ICAM、8-isoprostane、MPO等)。此外，利用環境監測資料與個人暴露問卷，評估各病人短期空氣汙染暴露情形；分析暴露指標與肺部發炎指標及臨床預後之間的關聯。本階段旨在探討空汙暴露、生物標記與臨床結果的交互作用，並驗證HME測定方式在暴露評估與疾病預測上的潛力。 二、 病患收案與樣本處理 1.受試者招募：依各階段納入條件不同，第一、二年為收集加護病房中接受機械通氣之成人病人。第三年則依照Berlin ARDS定義，將患者分為ARDS組與非ARDS組。所有受試者須由家屬或患者本人簽署受試者同意書，並取得倫理審查批准。 2.樣本收集流程：每位受試者的呼吸管路中安裝熱濕化交換器。第一年將於插管後1、2、4小時分別取下HME，於第二年後統一以研究結果最適當之時間為標準，取下後的HME置於離心管中離心以回收冷凝液，並測量蛋白質含量。第二年同時抽取血液樣本及支氣管肺泡沖洗液，同樣4°C下離心後，並存放於-80°C冰箱中待後續檢驗。 三、 實驗分析方法 1.蛋白質與生物標記定量：檢測各樣本總蛋白質含量。對於免疫活化和氧化壓力相關的蛋白，採用酶聯免疫吸附(ELISA)或多重檢測進行定量。指標將包括發炎相關因子(如：IL-1β、IL-6、IL-8、sTNFR1)、氧化壓力指標(如MMP-9、MPO)、肺部損傷指標(SP-D)等 2.蛋白質體學分析：對樣本進行液相層析-串聯質譜分析，以進行全譜蛋白質鑑定與定量。此無標的蛋白質體學分析可發現重症病人表現蛋白質，以篩選潛在生物標記物。 四、 統計分析 1.統計描述與組間比較：首先對臨床基本資料、HME液、蛋白質濃度及其他連續變項進行描述性統計，分類變項則以次數和百分比呈現。對於不同時間點HME回收量及蛋白濃度變化，可使用repeated measure ANOVA或Friedman檢定。比較ARDS組與非ARDS組之間的連續變項差異採用t檢定或Mann–Whitney U檢定，類別變項則使用卡方檢定或Fisher精確檢定。 2.相關與迴歸分析：採用Spearman或Pearson相關係數分析HME冷凝液與血漿、BAL液中相同標記物濃度之間的一致性。以多變量迴歸模型，針對連續性風險指標進行關聯性分析，以辨識與ARDS病程顯著相關變項。 (四)預期效益與影響 一、社會面：對病人而言，若能以簡單、非侵入方式偵測肺部傷害風險，有助於早期介入與改善預後，減少重症發生率與死亡率。另外，對空污、肺部傷害等議題之描述，可促進公共健康防護觀念。 二、醫療產業面：建立新型非侵入式生物標記檢測模型，有助於臨床診斷與重症照護策略擬定。另外，HME原為使用後即拋棄，增加其附加功能之潛力。 三、學術與研究面：本研究將建立並驗證台灣第一個以HME收集液分析的實驗模型，這是前所未有的創舉。以非侵入性收集生物指標分析，建立肺部免疫活化與氧化壓力在重症前期的蛋白質表現資料庫，再者，將生物指標連結到空氣汙染，對於空氣汙染導致重症的相關性更能釐清相關性，可作為後續生物標記開發與疾病機轉研究基礎。

Project ID:PC11410-3231
External Project ID:NSTC114-2314-B182-068