Caratteristiche della popolazione studiata e del campione
Nella coorte di analisi finale erano inclusi 112 soggetti, di cui 64 nel gruppo con infezione e 48 nel gruppo di controllo senza infezione. Le caratteristiche demografiche basali erano simili tra i gruppi, mentre i parametri di laboratorio correlati all'infezione risultavano più elevati nel gruppo con infezione, come mostrato nella Tabella 1. Le infezioni erano principalmente causate da batteri Gram-negativi, con i principali agenti patogeni batterici rappresentati da Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa e Acinetobacter baumannii. Altri agenti patogeni includevano Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, agenti atipici, virus e infezioni miste.
Le percentuali di recupero del liquido di lavaggio broncoalveolare hanno soddisfatto la soglia prestabilita di ≥40% per tutti i campioni inclusi, con valori leggermente inferiori nel gruppo di infezione rispetto al gruppo di controllo (mediana 48,3% vs 53,3%, p = 0,03), in accordo con un aumento dell'infiammazione delle vie aeree e del congestionamento della mucosa nelle vie aeree infette. Poiché anche il volume recuperato differiva tra i gruppi (58 mL vs 64 mL, p = 0,04), tutte le concentrazioni di citochine riportate potrebbero essere influenzate da una modesta differenza tra i gruppi nel fattore di diluizione; un'analisi di sensibilità prestabilita, limitata ai campioni con percentuale di recupero ≥50% (n = 42 infezione, n = 34 controllo), ha confermato la direzione e l'entità di ogni confronto tra gruppi (la variazione maggiore nell'effetto misurato < 8%), indicando che un bias dovuto alla diluizione è improbabile a spiegare le differenze osservate. Il tempo trascorso tra il prelievo e l'elaborazione è stato di 65 minuti per il gruppo di infezione e di 62 minuti per il gruppo di controllo, rimanendo entro la finestra di 2 ore. I criteri di controllo qualità (QC) a livello di campione hanno indicato risultati di alta qualità. I conteggi differenziali citologici sono stati ottenuti analizzando almeno 400 cellule in tutti e 112/112 i campioni (100%). Le acquisizioni di citometria a flusso hanno soddisfatto il criterio prestabilito di almeno 1 × 105 eventi CD45⁺ in tutti e 112/112 i campioni (100%), con una mediana della vitalità delle cellule vive pari all'89,4% (IQR 85,6–92,8%). Tutte le piastre per la rilevazione multiplex delle citochine hanno soddisfatto i criteri di controllo qualità dopo un unico ripetuto test. Per tutti e 13 gli analiti, il coefficiente di variazione intra-saggio (CV) è stato del 4,7% (2,1–9,3%, tutti <10%), il CV inter-piastra dei campioni QC pooled è stato dell'11,2% (6,8–18,4%, tutti <20%), e il numero mediano di microsfere è stato di 78 eventi/analita/pozzetto (53–142, tutti ≥ 50).
| Variabile | Infezione (n = 64) | Controllo (n = 48) | valore p |
| Età, anni, mediana [IQR] | 62 [54–71] | 60 [52–68] | 0.41 |
| Maschio, n (%) | 38 (59,4) | 26 (54,2) | 0,59 |
| IMC, kg/m2, mediana [IQR] | 23,8 [21,4–26,2] | 23,5 [21,6–25,7] | 0,66 |
| Anamnesi tabagica, n (%) | | | 0,52 |
| Mai fumato | 28 (43,8) | 25 (52,1) | |
| Ex fumatore | 22 (34,4) | 16 (33,3) | |
| Fumatore attuale | 14 (21,9) | 7 (14,6) | |
| Ipertensione, n (%) | 27 (42,2) | 18 (37,5) | 0,62 |
| Diabete mellito, n (%) | 17 (26,6) | 10 (20,8) | 0,49 |
| Malattia coronarica, n (%) | 11 (17,2) | 6 (12,5) | 0,51 |
| Malattia renale cronica, n (%) | 5 (7,8) | 3 (6,3) | 0,76 |
| Indicazione alla broncoscopia, n (%) | | | — |
| Polmonite acquisita in comunità | 35 (54,7) | — | |
| Polmonite acquisita in ospedale | 19 (29,7) | — | |
| Polmonite associata a ventilazione | 10 (15,6) | — | |
| Nodulo polmonare indeterminato | — | 23 (47,9) | |
| Anomalia radiografica persistente | — | 15 (31,3) | |
| Valutazione di tosse cronica | — | 10 (20,8) | |
| Patogeno eziologico, n (%) | | — | |
| Batteri Gram-negativi | 28 (43,8) | | |
| Batteri Gram-positivi | 16 (25,0) | | |
| Patogeni atipici | 7 (10,9) | | |
| Virus respiratori | 8 (12,5) | | |
| Infezione mista | 5 (7,8) | | |
| Ventilazione meccanica al momento del BAL, n (%) | 14 (21,9) | 0 (0) | <0,001 |
| Esposizione ad antibiotici entro 72 h prima del BAL, n (%) | 41 (64,1) | 0 (0) | <0,001 |
| Volume instillato, mL, mediana [IQR] | 120 [120–140] | 120 [120–140] | 0,84 |
| Volume recuperato, mL, mediana [IQR] | 58 [49–68] | 64 [55–73] | 0,04 |
| Tasso di recupero del BALF, %, mediana [IQR] | 48,3 [42,5–55,6] | 53,3 [46,2–60,5] | 0,03 |
| Tempo di lavorazione, min, mediana [IQR] | 65 [50–85] | 62 [48–80] | 0,55 |
| GB nel sangue, × 10⁹/L, mediana [IQR] | 11,8 [8,6–14,5] | 6,4 [5,3–7,8] | <0,001 |
| Neutrofili nel sangue, %, mediana [IQR] | 78,5 [70,2–86,4] | 60,3 [54,6–66,8] | <0,001 |
| Proteina C reattiva, mg/L, mediana [IQR] | 78,5 [42,6–128,4] | 4,2 [1,8–8,6] | <0,001 |
| Procalcitonina, ng/mL, mediana [IQR] | 0,86 [0,32–2,45] | 0,05 [0,03–0,08] | <0,001 |
Tabella 1: Caratteristiche demografiche, cliniche e di elaborazione del liquido di lavaggio broncoalveolare (BALF) della coorte dello studio. Le caratteristiche demografiche basali, le comorbidità, le indicazioni alla broncoscopia, i patogeni responsabili, i parametri procedurali e i valori ematici periferici di laboratorio sono stati confrontati tra i 64 partecipanti del gruppo con infezione e i 48 del gruppo di controllo senza infezione. Le variabili continue sono riportate come mediana [intervallo interquartile] e sono state confrontate mediante il test di Mann-Whitney U test; le variabili categoriche sono riportate come n (%) e confrontate mediante il test chi-quadro o il test esatto di Fisher, quando applicabile. Abbreviazioni: BAL = lavaggio broncoalveolare; BALF = liquido di lavaggio broncoalveolare; BMI = indice di massa corporea; IQR = intervallo interquartile; WBC = conta dei globuli bianchi.
Visualizzazione del reclutamento dei neutrofili nel LBA
È stato osservato un chiaro spostamento del rapporto da una popolazione dominata da macrofagi a una dominata da neutrofili tra i soggetti infetti, come mostrato in Figura 2. I preparati ottenuti con citocentrifuga sono stati colorati mediante la tecnica di Wright-Giemsa, e la colorazione ha evidenziato una netta distinzione tra i due gruppi: il gruppo di controllo presentava un maggior numero di macrofagi alveolari, alcuni linfociti e pochi neutrofili, mentre il gruppo infetto era dominato da neutrofili con batteri intracellulari frequenti, nuclei degenerati e granulazioni tossiche. I conteggi differenziali, basati su almeno 400 cellule enumerate, sono stati utilizzati per confermare le differenze: il rapporto dei neutrofili è aumentato da un valore mediano del 3,2% (IQR: 1,8–5,6%) nel gruppo di controllo al 68,4% (IQR: 49,2–82,5%) nel gruppo infetto (p < 0,001), mentre quello dei macrofagi alveolari è diminuito dall'88,2% (IQR: 82,4–92,5%) al 22,6% (IQR: 12,3–38,5%) (p < 0,001). Le percentuali di linfociti erano simili tra i gruppi (7,4% [4,8–11,3%] contro 6,5% [3,4–11,2%], p = 0,42).
Le analisi di gating e di riduzione della dimensionalità hanno confermato ed esteso i fenotipi cellulari osservati mediante microscopia. Dopo l'esclusione di detriti, doppietti e cellule morte, i granulociti CD45⁺CD66b⁺ rappresentavano una mediana del 65,8% (IQR: 46,2–79,4%) dei leucociti CD45⁺ nel gruppo infetto rispetto al 4,1% (IQR: 2,3–6,8%) nel gruppo di controllo (p < 0,001). All'interno della popolazione di granulociti, i neutrofili maturi CD15⁺CD16⁺CD11b⁺ costituivano il 92,4% (IQR: 87,5–95,8%) di tutti i granulociti nel gruppo infetto rispetto all'88,6% (IQR: 82,3–93,5%) nel gruppo di controllo, indicando che il pool di neutrofili reclutati era composto principalmente da cellule mature e completamente differenziate piuttosto che da precursori precoci. Le proiezioni UMAP e t-SNE basate sulla matrice di proteine di superficie trasformata con arcsinh mostravano topologie quasi identiche in cui i casi di infezione occupavano un'isola prominente di neutrofili maturi CD15⁺CD16⁺CD11b⁺ scarsamente popolata nei campioni di controllo, mentre l'isola di macrofagi alveolari HLA-DR⁺CD14⁺ mostrava il pattern opposto, densamente popolata nei controlli e scarsamente nei casi infetti. Il meta-clustering effettuato con FlowSOM ha identificato 13 sottopopolazioni, tra cui una sottopopolazione di neutrofili maturi (38,4% [22,6–56,2%] vs 2,8% [1,5–4,6%], p < 0,001) e un cluster di neutrofili attivati CD16-dim CD11b-alto (22,6% [11,4–32,5%] vs 0,4% [0,1–1,2%], p < 0,001) che mostravano le maggiori espansioni tra i gruppi.
Per quanto riguarda il conteggio assoluto dei neutrofili, si è osservato un aumento di circa 50 volte dei neutrofili nel liquido di lavaggio broncoalveolare (BALF) nel gruppo infetto rispetto al gruppo di controllo. Il numero totale di cellule nucleate per µL di BALF è aumentato da 156 cellule/µL (IQR 88–232) nel gruppo di controllo a 384 cellule/µL (IQR 180–712) nel gruppo infetto (p < 0,001), e il conteggio dei neutrofili è aumentato da 5 cellule/µL (IQR 2–13) nel gruppo di controllo a 262 cellule/µL (IQR 89–578) nel gruppo infetto (p < 0,001). Le differenze a coppie nella percentuale di neutrofili e nel conteggio assoluto tra i gruppi sono rimaste altamente significative dopo la correzione di Benjamini–Hochberg (BH) (q < 0,001).

Figura 2: Visualizzazione del reclutamento dei neutrofili nel BALF. Campi rappresentativi di citospin colorati con Wright–Giemsa provenienti da un partecipante di controllo e da un partecipante infetto illustrano il passaggio da un profilo cellulare del BALF predominato da macrofagi a uno predominato da neutrofili. Una strategia di gating in quattro passaggi mediante citometria a flusso (singoletti FSC → leucociti vitali CD45⁺ → granulociti CD66b⁺ dopo esclusione di CD14⁺HLA-DR⁺ → neutrofili maturi CD15⁺CD16⁺CD11b⁺), un'immersione UMAP (uniform manifold approximation and projection) di dati di citometria a flusso trasformati con arcsinh con sovrapposizione del metacluster FlowSOM 13 colorata per annotazione biologica, e box plot della percentuale di neutrofili nel BALF e della concentrazione assoluta di neutrofili (cellule/µL, scala logaritmica) sono mostrati fianco a fianco per consentire un confronto diretto dei fenotipi cellulari identificati nei gruppi infetto e di controllo. Abbreviazioni: BALF = liquido di lavaggio broncoalveolare; FSC = diffusione in avanti; UMAP = uniform manifold approximation and projection. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Visualizzazione dei profili delle citochine infiammatorie nel LBA
Un modello di risposte coordinate attraverso diversi assi citochinici ha distinto il gruppo infetto dal gruppo di controllo, e le citochine sono state raggruppate in tre moduli funzionali coerenti, come mostrato in Figura 3. Il raggruppamento gerarchico delle concentrazioni citochiniche trasformate in log₁₀ e normalizzate, effettuato con il metodo Ward.D2, ha prodotto un chiaro dendrogramma a due gruppi per i campioni, in cui i campioni di infezione e i controlli occupavano estremità opposte del dendrogramma, con soltanto sette partecipanti classificati in modo errato (sei controlli inclusi nel gruppo di infezione, principalmente casi di tosse cronica con lieve infiammazione neutrofila delle vie aeree, e un campione di infezione incluso tra i controlli, rappresentativo di una polmonite atipica precoce). Il dendrogramma degli analiti ha definito tre cluster di citochine. Il cluster di chemochine, composto da CXCL8, CXCL1, CXCL10, CCL2 e CCL3, ha mostrato la maggiore variazione di espressione tra i gruppi infetto e di controllo e la più elevata correlazione all'interno del modulo. Il cluster pro-infiammatorio, contenente IL-1β, IL-6, IL-17A e TNF-α, ha mostrato aumenti simili nella stessa direzione, sebbene leggermente meno marcati. Il cluster regolatorio, comprendente IL-10, IL-1RA, IFN-γ e G-CSF, era anch'esso aumentato nei campioni di infezione, indicando che la risposta non era puramente pro-infiammatoria, ma coinvolgeva contemporaneamente branche contro-regolatorie e antivirali.
Le mediane (IQR) di tutti gli analiti testati erano più elevate nel gruppo con infezione rispetto al gruppo di controllo, e il valore p aggiustato era inferiore a 0,001 per tutti e 13 gli analiti dopo la correzione per il tasso di falsa scoperta basata su BH (BH-FDR). Tra gli analiti, CXCL8/IL-8 presentava la concentrazione più alta e la variazione maggiore in termini di fold (da 68 [32–142] pg/mL nel gruppo di controllo a 2.485 [842–6.520] pg/mL nel gruppo con infezione, un aumento di circa 36 volte). Un andamento parallelo è stato osservato per CXCL1/GRO-α, con un aumento di circa 21 volte (78 [36–148] vs 1.672 [524–3.890] pg/mL). IL-1β ha mostrato un aumento di circa 13 volte (5,8 [2,6–11,4] vs 78 [29–184] pg/mL). IL-6, IL-1RA e G-CSF hanno mostrato aumenti da 13 a 16 volte (16,4 [7,8–30,5] vs 248 [82–612] pg/mL; 112 [48–258] vs 1.748 [658–3.964] pg/mL; 24 [10–52] vs 384 [125–912] pg/mL, rispettivamente). Altri aumenti minori includevano TNF-α (~8 volte), CXCL10/IP-10 (~9 volte), CCL2/MCP-1 (~8 volte), CCL3/MIP-1α (~10 volte), IL-10 (~10 volte), IFN-γ (~6 volte) e IL-17A (~4 volte).
L'analisi della caratteristica operativa del ricevitore all'interno del gruppo ha identificato IL-8 (AUC 0,94), IL-1β (AUC 0,92), IL-6 (AUC 0,91), CXCL1 (AUC 0,91) e G-CSF (AUC 0,89) come gli analiti con la discriminazione più forte basata su un singolo marcatore tra i gruppi con infezione e di controllo; questi valori di AUC riassumono la capacità discriminatoria all'interno del gruppo analizzato, in assenza di un set di validazione esterno separato. Un'analisi di sensibilità mediante imputazione multipla tramite equazioni concatenate (m = 20) ha prodotto stime entro il 5% delle mediane ottenute dai casi completi per ciascun analita e non ha modificato l'ordine gerarchico delle dimensioni dell'effetto.
Analisi di sensibilità predefinite sono state utilizzate per valutare l'influenza dell'esposizione precedente ad antibiotici e del sottotipo di polmonite sulle differenze osservate nei citochine. Quando i confronti principali tra gruppi sono stati ripetuti escludendo i 41 partecipanti del gruppo con infezione (64,1%) che avevano ricevuto antibiotici entro 72 ore prima della lavanda broncoalveolare (BAL), tutti e 13 gli analiti sono rimasti significativamente più elevati nei restanti 23 casi di infezione rispetto ai controlli dopo la correzione BH-FDR (aggiustato p < 0,001 per i cinque principali discriminanti), con stime puntuali leggermente superiori piuttosto che inferiori rispetto alle mediane dell'intero coorte (ad esempio, CXCL8/IL-8 2.860 [980–7.110] pg/mL e IL-1β 92 [34–210] pg/mL), coerentemente con un parziale attenuazione dei citochine delle vie aeree dovuta all'esposizione pre-BAL ad antibiotici. La stratificazione del gruppo di infezione per sottotipo di polmonite ha mostrato lo stesso ordine gerarchico di chemochine e citochine pro-infiammatorie nei casi di polmonite acquisita in comunità (n = 35), polmonite acquisita in ospedale (n = 19) e polmonite associata alla ventilazione meccanica (n = 10), con il sottogruppo di polmonite associata alla ventilazione meccanica che presentava i livelli mediani più elevati per CXCL8, CXCL1, IL-6 e G-CSF; lo stato di ventilazione meccanica non ha modificato la direzione di alcun confronto tra gruppi.

Figura 3: Visualizzazione dei profili delle citochine infiammatorie nel BALF. Mappa termica della clusterizzazione gerarchica delle concentrazioni trasformate in log₁₀ e standardizzate con z-score dei 13 analiti misurati su tutti i 112 partecipanti, con barre di annotazione colorate sopra la mappa termica che indicano l'assegnazione al gruppo (controllo, infezione), il sottotipo di polmonite (CAP, HAP o VAP) e la categoria di patogeno causale (Gram-negativo, Gram-positivo, atipico, virale o infezione mista). I diagrammi a scatola delle citochine con abbondanza differenziale più significativa (CXCL8/IL-8, IL-1β, IL-6, CXCL1/GRO-α, G-CSF e TNF-α; scala log₁₀, pg/mL) confrontano i gruppi con infezione e di controllo. *** p < 0,001 dopo correzione del tasso di falsa scoperta BH. Abbreviazioni: BALF = liquido di lavaggio broncoalveolare; BH = Benjamini–Hochberg; CAP = polmonite acquisita in comunità; HAP = polmonite acquisita in ospedale; VAP = polmonite associata alla ventilazione. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Visualizzazione accoppiata del reclutamento dei neutrofili e dei profili delle citochine
L'accoppiamento dei compartimenti cellulari e solubili ha rivelato un forte collegamento biologico tra il reclutamento dei neutrofili e il sistema delle chemochine, come mostrato in Figura 4. Una rappresentazione bidimensionale è stata ottenuta mediante l'analisi delle componenti principali (PCA) della matrice standardizzata di cellule e citochine, in cui la PC1 spiega il 51,1% della varianza totale e la PC2 un ulteriore 12,7%, per un totale cumulativo del 63,8%. La PC1 separa il gruppo con infezione dai controlli, caratterizzandosi per elevati pesi positivi di neutrofili nel lavaggio broncoalveolare (BALF), CXCL8, CXCL1, IL-6, IL-1β e G-CSF, e per elevati pesi negativi dei macrofagi. La PC2 distingue una traiettoria ricca di chemochine (con alti pesi positivi per CXCL8 e CXCL1) da una traiettoria ricca di fattori regolatori (con pesi positivi per IL-10, IL-1RA e IFN-γ), in modo che all'interno del gruppo infetto i partecipanti tendano a separarsi in base alla gravità, con i casi di polmonite associata al ventilatore che richiedono ventilazione meccanica posizionati nel quadrante ad alto contenuto di chemochine.
Le correlazioni di Spearman a coppie tra 17 tratti cellulari e solubili hanno rivelato una forte correlazione positiva tra il conteggio dei neutrofili nel lavaggio broncoalveolare (BALF) e l'asse chemochinico complessivo (CXCL8 ρ = 0,78; CXCL1 ρ = 0,74; CCL3 ρ = 0,69; CCL2 ρ = 0,61; CXCL10 ρ = 0,54; tutti i valori di p aggiustati < 0,001). Un secondo livello di correlazioni significative è stato osservato tra il conteggio dei neutrofili e l'asse pro-infiammatorio (G-CSF ρ = 0,65; IL-1β ρ = 0,62; IL-6 ρ = 0,58; TNF-α ρ = 0,51), seguito da correlazioni moderate e positive con l'asse regolatorio (IL-10 ρ = 0,45; IL-1RA ρ = 0,48). La percentuale di macrofagi ha mostrato una correlazione negativa speculare con entrambi gli assi chemochinico e pro-infiammatorio, di intensità simile. Le correlazioni all'interno dello stesso asse erano sostanzialmente più forti rispetto a quelle tra assi diversi (mediana |ρ| all'interno dell'asse = 0,68 contro mediana |ρ| tra assi = 0,33), sostenendo l'ipotesi di comuni vie regolatorie a monte che controllano gli assi chemochinico, pro-infiammatorio e regolatorio.
La rete di correlazione ha rappresentato questa associazione in un grafo in cui i neutrofili nel lavaggio broncoalveolare (BALF) erano il nodo centrale più importante, con tutti e 13 i collegamenti ai citochine che superavano la correzione BH per test multipli. Delle 136 possibili connessioni a coppie tra le 17 caratteristiche, 99 soddisfacevano il criterio congiunto di |ρ| ≥ 0,30 e p corretto con BH < 0,05 ed è stato pertanto mantenuto. Il grafo della rete di correlazione mostrava una chiara architettura modulare a tre blocchi, che riproduceva i cluster ottenuti dal clustering gerarchico: le connessioni più dense e forti erano tra il modulo chemiotattico e il conteggio percentuale di neutrofili nel BALF, connessioni di peso intermedio collegavano il modulo pro-infiammatorio sia ai neutrofili che al modulo chemiotattico, mentre connessioni sottili provenienti dal modulo regolatorio univano i blocchi chemiotattico e pro-infiammatorio. Il nodo relativo alla percentuale di macrofagi si trovava opposto al blocco neutrofili–chemiotattico ed era collegato ad esso tramite un insieme di archi con pesi negativi. Nel complesso, l'analisi PCA, la matrice di correlazione e il grafo della rete hanno rivelato un modello coerente in cui l'infiltrazione di neutrofili nel BALF e la risposta chemiotattica sono fortemente associate a livello individuale, mentre i percorsi pro-infiammatori e regolatori costituiscono moduli ben definiti ma interconnessi attorno a questo asse neutrofili–chemiotattici.

Figura 4: Visualizzazione integrata del reclutamento dei neutrofili e dei profili delle citochine infiammatorie. Biplot dell'analisi delle componenti principali della matrice standardizzata di parametri cellulari e citochine, con partecipanti colorati per gruppo, mappa termica della correlazione di Spearman e grafico a rete di tutte e 17 le caratteristiche cellulari e solubili (nodi dimensionati in base al grado, archi proporzionati in base a |ρ| e filtrati in base a p corretto con Benjamini–Hochberg < 0,05 e |ρ| ≥ 0,30), che evidenzia il centro di interazione tra neutrofili e chemochine. Abbreviazioni: BH = Benjamini–Hochberg; PC = componente principale. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
DISPONIBILITÀ DEI DATI:
Il set di dati a livello di partecipante anonimizzato e il codice di analisi in R utilizzati in questo studio sono forniti come Tabella Supplementare S1 e File Supplementare 1. Altri dati a supporto dei risultati di questo studio sono disponibili presso l'autore corrispondente su richiesta motivata.
Tabella supplementare S1: set di dati del lavaggio broncoalveolare. Fare clic qui per scaricare il file.
File Supplementare 1: Un file ZIP contenente i codici di analisi. Fare clic qui per scaricare questo file.