Logistic回归和PLS-DA模型评价肿瘤标志物对结肠癌的诊断价值*

曾龙飞，田 刚，姚 健,3△

(1.西南医科大学附属医院肝胆外科，四川泸州 646000；2.西南医科大学附属医院检验科，四川泸州 646000；3.四川省泸州市人民医院肝胆外科 646000)

论著·临床研究

Logistic回归和PLS-DA模型评价肿瘤标志物对结肠癌的诊断价值*

曾龙飞1，田 刚2，姚 健1,3△

(1.西南医科大学附属医院肝胆外科，四川泸州 646000；2.西南医科大学附属医院检验科，四川泸州 646000；3.四川省泸州市人民医院肝胆外科 646000)

目的 探讨血清肿瘤M2型丙酮酸激酶(TuM2-PK)、癌胚抗原(CEA)、糖类抗原CA199、CA724、CA125和CA242对结肠癌的诊断价值。方法 采用酶联免疫吸附法(ELISA)和电化学发光法测定231例结肠癌、105例结肠良性病和166例健康对照血清TuM2-PK、CEA、CA199、CA724、CA125和CA242水平。采用ROC曲线和Logistic-ROC曲线比较单一和组合标志物的诊断效能，以最优组合标志物建立结肠癌Logistic回归和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)诊断模型。结果 结肠癌组血清TuM2-PK、CEA、CA199、CA125和CA242水平显著高于结肠良性病组和健康对照组(P<0.05)。血清CA199诊断结肠癌的ROC曲线下面积(AUC)最高[0.79 (95%CI：0.75～0.83)]，在临界值为69.5 U/L时灵敏度和特异性分别为64.1%和89.7%。Logistic-ROC曲线中各组合标志物较单一指标的AUC高，其中(CEA+CA199+TuM2-PK)的AUC较为理想[0.89(95%CI：0.86～0.92)]。血清(CEA+CA199+TuM2-PK)的Logistic回归和PLS-DA模型对结肠癌的诊断准确率分别为82.7%和77.5%，对非结肠癌的诊断准确率分别为93.7%和95.6%。结论 联合检测血清CEA、CA199和TuM2-PK是较为理想的肿瘤标志物组合，有助于结肠癌的早期诊断。

结肠肿瘤；肿瘤M2型丙酮酸激酶；ROC曲线；Logistic回归分析

结肠癌早期症状不典型，约60%的患者确诊时已到中晚期[1]。目前尚无准确诊断结肠癌的单一肿瘤标志物，而癌胚抗原(carcino-embryonic antigen，CEA)、糖类抗原(carbohydrate antigen，CA)CA199、CA724等诊断结肠癌的灵敏度也不理想[2-3]。肿瘤M2型丙酮酸激酶(tumors M2 pyruvate kinase，TuM2-PK)是近年来发现与结肠癌有关的新型标志物，其诊断价值尚未被完全阐明[4]。研究表明，联合检测血清TuM2-PK、CEA和CA199等能提高结肠癌诊断的灵敏度和阳性率[4-5]。尽管如此，并联实验通过叠加各指标的阳性率提高灵敏度的同时降低了特异性，增加了检测成本[6]。串联实验提高了诊断的

表1 血清CEA、CA199、CA724、CA125、CA242和TuM2-PK水平

a：P<0.05，与结肠良性病组比较；b：P<0.05，与健康对照组比较；c：P<0.05，结肠癌与健康对照组比较。

表2 血清CEA、CA199、CA724、CA125、CA242和TuM2-PK对结肠癌的诊断价值比较

特异性但牺牲了灵敏度。因此，寻找最佳的肿瘤标志物组合并评价其联合诊断效能显得尤为重要。受试者工作特征(ROC)曲线是一种兼顾灵敏度和特异性的诊断试验评价工具，而基于Logistic回归的ROC曲线可用于联合指标的诊断效能评价[6]。因此，本研究以结肠癌患者为研究对象，采用ROC曲线和Logistic回归-ROC曲线探讨血清TuM2-PK、CEA、CA199、CA724、CA125和CA242单项和经Logistic回归后组合标志物对结肠癌的诊断效能。进一步建立最优肿瘤标志物的二分类Logistic回归分析和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)线性模型，验证其对结肠癌的鉴别诊断价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2013年5月至2016年1月就诊于西南医科大学附属第一医院胃肠外科的结肠癌患者231例(结肠癌组)，其中男139例，女92例，平均年龄(64.4±10.9)岁。结肠良性病患者105例(良性病组)，男76例，女29例，平均年龄(52.5±19.7)岁。其中溃疡性结肠炎37例，结肠息肉30例，急、慢性结肠炎 28例，肠易激综合征10例。健康对照组为本院体检者，共166例，其中男96例，女70例，平均年龄(49.1±26.6)岁，各项体检指标均正常，无心、肺、肾脏疾病等。

1.2 方法

1.2.1 仪器与试剂 血清CEA、CA199、CA724、CA125和CA242测定均采用深圳新产业(Maglumi 2000 Plus)电化学发光仪及配套试剂，质控均符合要求。血清TuM2-PK的测定采用ELISA，采用苏州卡尔文公司提供的试剂盒并严格按试剂说明书操作，批内和批间变异系数(CV)均控制在10%以内。

1.2.2 测定方法 采用电化学发光法测定血清中CEA、CA199、CA724、CA125和CA242水平。采用酶联免疫吸附试验(ELISA)检测血清TuM2-PK水平。各指标的参考范围为：CEA 0～6.0 ng/mL、CA199 0～37 U/L、CA724 0.2～6.0 U/L、CA125 0～35 U/L、CA242 0～15 U/L和TuM2-PK 0～15 U/mL。

2 结 果

2.1 血清CEA、CA199、CA724、CA125、CA242和TuM2-PK水平比较 结肠癌组血清中CEA、CA199、CA125、CA242和TuM2-PK水平均显著高于良性病组和健康对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。良性病组血清CEA、CA199、CA724、CA242和TuM2-PK也显著高于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)，见表1。

2.2 血清CEA、CA199、CA724、CA125、CA242和TuM2-PK对结肠癌的诊断价值比较 6种血清肿瘤标志物中CEA、CA199、CA724和TuM2-PK的诊断效能较高(AUC≥0.70)。其中CA199具有最高的诊断效能(AUC=0.79)，在临界值为69.5 U/L时，具有64.1%的灵敏度和89.7%的特异性，见表2。

2.3 基于Logistic回归-ROC曲线的血清组合标志物对结肠癌的诊断价值比较 以诊断效能较高(AUC≥0.70)的血清CEA、CA199、CA724和TuM2-PK建立Logistic回归-ROC曲线模型，评估组合标志物的诊断效能(图1)。两项或多项组合标志物的诊断效能均优于单一指标。两项联合指标中(CA199+TuM2-PK)的诊断效能最佳，AUC、灵敏度和特异性分别为0.87，77.5%和90.0%。3项联合指标中，(CEA+CA199+TuM2-PK)的诊断效能最高，AUC、灵敏度和特异性分别为0.89、82.3%和91.5%。4项联合指标(CEA+CA199+CA724+TuM2-PK)的AUC、灵敏度和特异性分别为0.90、84.4%和88.9%。(CEA+CA199+TuM2-PK)的AUC和灵敏度均优于(CA199+TuM2-PK)。3项组合标志物(CEA+CA199+TuM2-PK)与4项项组合标志物(CEA+CA199+CA724+TuM2-PK)的AUC、灵敏度和特异性相当，但后者的检测成本更高，见表3。

2.4 血清最优组合标志物Logistic诊断模型分析 以3项联合指(CEA+CA199+TuM2-PK)建立Logistic诊断模型，该模型对结肠癌和非结肠癌(良性病组和对照组)诊断的准确率分别为82.7%和93.7%，见图2。

图1 基于血清组合肿瘤标志物的 Logistic回归-ROC曲线表3 血清组合标志物的Logistic回归-ROC曲线对 结肠癌的灵敏度、特异性和AUC比较

组合标志物灵敏度(%)特异性(%)AUC(95%CI)CEA+CA19971.488.60.84(0.81～0.89)CEA+CA72461.579.00.80(0.76～0.83)CEA+TuM2-PK68.482.30.82(0.78～0.86)CA199+CA72465.487.60.83(0.79～0.87)CA199+TuM2-PK77.590.00.86(0.82～0.88)CA724+TuM2-PK64.180.80.80(0.76～0.84)CEA+CA199+CA72471.489.70.87(0.83～0.90)CEA+CA199+TuM2-PK82.391.50.89(0.86～0.92)CEA+CA724+TuM2-PK68.082.30.85(0.81～0.88)CA199+CA724+TuM2-PK71.987.10.88(0.85～0.91)CEA+CA199+CA724+TuM2-PK84.488.90.90(0.88～0.93)

图2 基于血清CEA、CA199和TuM2-PK的 Logistic回归诊断模型

2.5 血清最优组合标志物PLS-DA诊断模型的建立 以3项联合指(CEA+CA199+TuM2-PK)建立PLS-DA诊断模型，该模型对结肠癌和非结肠癌(良性病组和健康对照组)诊断的准确率分别为77.5%(179/231)和95.6%(259/271)，见图3。

蓝色：健康对照组；红色：结肠良性病组；绿色：结肠癌组。

图3 基于血清CEA、CA199和TuM2-PK的PLS-DA诊断模型

3 讨 论

CEA、CA199、CA724、CA125和CA242是肿瘤常规筛查项目，其中CA199是结肠癌最常用的筛查指标，在消化道肿瘤中其血清水平显著升高[2-4]。古丽等[7]研究表明，结肠癌组血清CA199水平显著高于对照组，诊断结肠癌的AUC、灵敏度和特异性分别为0.76、53.1%和89.9%。本研究发现，6种肿瘤标志物中CA199的AUC最高，诊断效能与特异性与古丽等[7]报道基本一致。

丙酮酸激酶(PK)是参与糖酵解的关键酶，主要有L-PK、R-PK、M1-PK和M2-PK 4种亚型。M2-PK有二聚体和四聚体两种形式，其中活性较低的二聚体主要参与碳水化合物的合成，活性较高的四聚体主要参与糖无氧酵解的能量代谢[8]。肿瘤细胞发生时常伴有M2-PK四聚体水平的减少和M2-PK二聚体含量的增加，故M2-PK又称为TuM2-PK。由于肿瘤细胞中TuM2-PK与磷酸烯醇式丙酮酸的亲和力远低于四聚体丙酮酸激酶，故糖酵解过程受阻，中间产物大量堆积、肿瘤细胞快速增殖[9]。Fatel-Cantillo等[10]证实，TuM2-PK在结肠癌细胞增殖和转移时释放入血，导致血清TuM2-PK水平显著升高。本研究发现，结肠癌组血清TuM2-PK水平显著高于良性病组，可能与结肠癌患者肿瘤细胞的糖酵解代谢异常有关。结肠癌组血清TuM2-PK水平显著高于良性病组与对照组，提示增高的血清TuM2-PK水平有助于结肠癌的辅助诊断。此外，单项标志物中TuM2-PK诊断结肠癌的灵敏度与CEA和CA199相当，高于Schneider等[11]报道，可能与人群和诊断阈值不同有关。此外，本研究结果提示，联合检测CEA和TuM2-PK可显著提高结肠癌诊断的灵敏度，与Kim等[12]结论一致。

目前，但鲜有TuM2-PK与CEA、CA199、CA724、CA125和CA242不同组合方式的Logistic回归-ROC曲线对结肠癌的诊断效能比较。Molodianovitch等[13]发现，基于Logistic回归的ROC曲线可以更好地评价模型的拟合优度、兼顾了灵敏度和特异性。卢灿荣等[14]基于Logistic回归的ROC曲线表明，联合检测血清CEA、CA199和C反应蛋白有助于提高结肠癌的诊断效能。Fung等[15]采用Logistic回归联合检测TuM2-PK、Dickkopf-3和胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBP2)诊断结肠癌AUC达到0.87～0.91，灵敏度达到73%。本研究对比分析发现，Logistic回归-ROC曲线模型中，血清(CEA+CA199+TuM2-PK)与(CEA+CA199+CA724+TuM2-PK)组合标志物的AUC相当，均能较好地提高结肠癌诊断的灵敏度但后者的检测成本较高。进一步以组合标志物(CEA+CA199+TuM2-PK)建立Logistic回归和PLS-DA诊断模型，两类模型对结肠癌和非结肠癌的诊断准确率也均较为理想。

综上所述，血清(CEA+CA199+TuM2-PK)是鉴别诊断结肠癌较为理想的肿瘤标志物组合，有助于结肠癌的早期诊断。尽管如此，本研究尚未全面考察TuM2-PK各类常规肿瘤标志物联合检测对结肠的诊断价值，标本量也较为有限。因此，寻找更加理想的肿瘤标志物组合，评价其诊断结肠癌的效能、分析组合标志物与病理金标准结果的一致性等还需大样本深入研究。

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Diagnostic of serum tumor markers for colon cancer assessed with logistic regression analysis and PLS-DA model*

ZengLongfei1,TianGang2,YaoJian1,3△

(1.DepartmentofHepatobiliarySurgery,theAffiliatedHospitalofSouthwestMedicalUniversity,Luzhou,Sichuan646000,China;2.DepartmentofClinicalLaboratory,theAffiliatedHospitalofSouthwestMedicalUniversity,Luzhou,Sichuan646000,China;3.DepartmentofHepatobiliarySurgery,thePeople′sHospitalofLuzhouCity,Luzhou,Sichuan646000,China)

Objective To investigate the diagnostic value of serum tumors M2 pyruvate kinase (TuM2-PK),carcino-embryonic antigen (CEA),CA199,CA724,CA125 and CA242 in colon cancer.Methods Serum levels of TuM2-PK,CEA,CA199,CA724,CA125 and CA242 in 231 patients with colon cancer,105 patients with colon benign lesion diseases and 166 normal controls were measured by the ELISA and electrochemiluminescence assays.The operation working characteristic curve (ROC) and the logistic regression-ROC were used to evaluate the diagnostic value of tumor markers for colon cancer individually and in combination.The models of logistic regression analysis and partial least-squares discriminant analysis (PLS-DA) were established to diagnose patients with colon cancer based on the optimal panel of serum tumor markers.Results Concentrations of serum TuM2-PK,CEA,CA199,CA125 and CA724 in the colon cancer group are higher than those in the colon benign diseases group and the normal controls (P<0.05).The area under the operation working characteristic curve (AUC) of CA199 is the highest 0.79 [95% confidence interval (95%CI),0.75-0.83] at the cutoff value of 69.5 U/L with 64.1% of sensitivity and 89.7% of specificity.The AUC of combined serum tumor markers based on logistic regression analysis is higher than those in individuals,of which serum (CEA+CA199+TuM2-PK) is the optimal [AUC=0.89,95% confidence interval(95%CI),0.86-0.92].The diagnostic accuracy of logistic analysis and PLS-DA model for colon cancer is 82.7% and 77.5%,and for colon cancer is 93.7% and 95.6%,respectively.Conclusion The combination of serum tumor markers CEA,CA199 and TuM2-PK is more suitable as a diagnostic model for the screening of colon cancer.

colon cancer;tumor M2 pyruvate kinase;receiver operating characteristic curve;logistic regression analysis

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.08.010

四川省教育厅重点项目(2005A076);四川省泸州市科技计划项目[2015-S-51(1/3)];西南医科大学自然科学基金(30543)；西南医科大学附属医院人才基金资助项目(12277)。 作者简介：曾龙飞(1988-)，硕士，主要从事胃肠、肝胆外科的临床研究。△

，E-mail:lzyaojiang@126.com。

R735.3

A

1671-8348(2017)08-1038-04

2016-09-30

2016-11-28)