白楊，郭雷，李恩有

呼出氣的檢測可以追溯到醫(yī)學(xué)發(fā)展的早期，在古代，希臘醫(yī)生就知道呼吸氣味與某些疾病有關(guān)，可以反映人體的生理病理過程[1]。比如糖尿病病人呼出氣中帶有甜味，肝臟疾病病人呼出氣中的魚腥味和腎衰竭病人呼出氣中尿味。顯然，呼出氣中的一些物質(zhì)可以診斷某些疾病或監(jiān)測體內(nèi)的代謝過程。

現(xiàn)代呼出氣的研究開始于20世紀(jì)70年代，Linus Pauling在人體的呼出氣中發(fā)現(xiàn)200多種不同的揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compound,VOCs)，證實了人體呼出氣成分的復(fù)雜性[2]。2017年ACS Nano雜志發(fā)表的一篇文章報導(dǎo)使用納米檢測技術(shù)對人體呼出氣分析，在數(shù)分鐘內(nèi)可以診斷包括肺癌等17種疾病,引起了廣泛的關(guān)注[3]。與血液和尿液分析相比，呼出氣分析被認(rèn)為是既方便又安全的方式，而與傳統(tǒng)診斷技術(shù)相比，呼出氣分析具有無創(chuàng)、操作簡單、依從性好以及能夠?qū)崟r監(jiān)測等優(yōu)點。目前，基于呼出氣分析技術(shù)常見的臨床應(yīng)用包括：檢查酒后駕駛時測定乙醇和乙醛(乙醇的代謝產(chǎn)物)，檢測幽門螺桿菌時13C或14C的尿素呼氣試驗以及識別哮喘時呼出氣中NO的檢測[4]。在近十幾年中，呼出氣分析技術(shù)對疾病診斷和生物代謝途徑分析方面進行了廣泛的探索研究，使得一些新的標(biāo)志物為疾病的診斷和鑒別診斷提供了可能?，F(xiàn)對臨床應(yīng)用中呼出氣中的重要揮發(fā)性標(biāo)志物進行總結(jié)。

1 癌癥與呼出氣揮發(fā)性有機化合物

1.1肺癌與呼出氣揮發(fā)性標(biāo)志物據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)稱肺癌是導(dǎo)致死亡的主要原因，全世界每年約有159萬人死于肺癌[5-6]。肺癌在臨床上常用的診斷方法包括血液檢查，胸部X線檢查，計算機斷層掃描(CT)，磁共振成像(MRI)和正電子發(fā)射斷層掃描(PET)等。這些技術(shù)只能提供一些有限的信息,如CT掃描技術(shù)很難診斷腫瘤的良惡性以及臨床分期，因此多數(shù)情況下需要進行活組織檢查，而這種檢查方法創(chuàng)傷大，費用高，并且有潛在的出血風(fēng)險甚至由于出血而導(dǎo)致死亡[7]。

近年來呼出氣VOCs分析技術(shù)對癌癥進行了廣泛的研究，其中以肺癌的研究數(shù)量最多。VOCs分為外源性和內(nèi)源性，外源性VOCs可以從外部環(huán)境中通過吸入或吞食進入體內(nèi)，然后從呼出氣排出，內(nèi)源性VOCs主要是體內(nèi)代謝過程中的產(chǎn)物。癌癥的病人在病理情況下代謝發(fā)生變化導(dǎo)致VOCs的成分和濃度也發(fā)生相應(yīng)的改變，參與這一變化的主要機制包括：氧化應(yīng)激的增強，細(xì)胞色素P450的誘導(dǎo)，碳水化合物代謝(如糖酵解和糖異生途徑)和脂質(zhì)代謝的改變[8]。肺癌病人體內(nèi)產(chǎn)生的特異性VOCs釋放到血液中，根據(jù)血/氣分配系數(shù)(λb/a)在肺泡或氣道中進行氣體交換而排出體外。理論和實驗研究表明血液中低溶解度的物質(zhì)，主要是非極性的VOCs(λb/a<10)幾乎完全在肺泡中進行交換，高血溶性的物質(zhì)主要是極性的VOCs(λb/a>100)往往在氣道中進行交換，100>λb/a>10的VOCs在肺泡和氣道中都有明顯的交換[7-8]。表1是對近20年(按時間順序)與肺癌有關(guān)的一些重要的潛在生物標(biāo)志物的匯總[9-25]。

1.2乳腺癌與呼出氣揮發(fā)性標(biāo)志物乳腺癌是最常見的女性惡性疾病之一，也是造成女性死亡的最主要原因。據(jù)估計，在美國有超過350萬名婦女有乳腺癌病史。乳腺癌相比其他癌癥更趨向年輕化，平均年齡為61歲[26]。它是一種進展性疾病，癌癥的早期發(fā)現(xiàn)，早期治療可以有效的降低死亡率。目前乳腺癌最常見的篩查方法有乳腺鉬靶X線檢查，超聲檢查。鉬靶X線對乳腺癌的敏感性為71%～96%，對致密乳腺組織的敏感性更低，乳腺超聲檢查不能很好的檢測到微鈣化物質(zhì)[27]。

近年來已有多篇文獻證實乳腺癌病人呼出氣中存在特異性的VOCs(表2)[27,29-32]并且對其產(chǎn)生的機制進行了分析。大部分實驗結(jié)果支持這些化合物來源于氧化應(yīng)激。癌細(xì)胞在惡性生長過程中發(fā)生基因突變和蛋白質(zhì)的表達異常，產(chǎn)生大量的活性氧(ROS)導(dǎo)致細(xì)胞膜中的多不飽和脂肪酸被過度氧化,乙烷和戊烷就是由脂肪酸發(fā)生過氧化生成[29]。此外Phillips認(rèn)為乳腺癌特異性VOCs與雌激素代謝機制的變化和細(xì)胞色素P450酶活性增加有關(guān)，雌激素可以刺激正常的和腫瘤乳腺上皮細(xì)胞的增值[28]，雌激素的代謝產(chǎn)物起著致癌的作用，其代謝機制的改變可以產(chǎn)生一些特異性的揮發(fā)性化合物[27]。此外芳香酶在乳腺癌中高表達，芳香酶是一種雌激素的合成酶，是細(xì)胞色素P450酶復(fù)合體的一部分。其它的P450酶在乳腺癌機體內(nèi)也被激活如CYR1A1,CYP1B1和CYP3A4，P450酶可以誘導(dǎo)多種生物反應(yīng)，包括促進烷烴，烯烴和芳香化合物的生物轉(zhuǎn)化[27]。

表1 肺癌病人潛在的呼出氣生物標(biāo)志物

2 代謝性疾病與呼出氣揮發(fā)性有機化合物

糖尿病是對人類健康造成重大威脅的主要疾病之一，已成為全球性的流行病。據(jù)WHO稱全球約有3.5億人患有糖尿病，預(yù)計到2030年將成為第七大死亡原因[33]。糖尿病是一種多變復(fù)雜的疾病，幾乎影響人體的每一個器官。目前診斷和監(jiān)測糖尿病的主要方法是檢查血糖值，這種方法由于有創(chuàng)常常給病人帶來不便。

呼出氣VOCs分析技術(shù)的發(fā)展為糖尿病的日常監(jiān)測和早期診斷提供了可能。已經(jīng)有大量的研究對糖尿病病人呼出氣中的VOCs進行分析，呼出氣中的丙酮是糖尿病的重要生物標(biāo)志物，與酮癥酸中毒相關(guān)[34-35]。血中丙酮水平的升高是糖尿病病人呼出氣中“爛蘋果”味的主要原因[34]。研究還發(fā)現(xiàn)血糖水平和糖尿病病人呼出氣中丙酮濃度之間存在很高的相關(guān)性[34]。健康者呼出氣的丙酮濃度在0.044 ppm～2.774 ppm的范圍內(nèi)，1型糖尿病病人2.2 ppm～21 ppm之間，2型糖尿病在1.76 ppm～9.4 ppm之間[33]。因此呼出氣丙酮可作為糖尿病的潛在的生物標(biāo)志物，然而單獨的丙酮測定不能很好的診斷糖尿病，因為該濃度受胰島素抵抗的程度，晝夜波動，脂肪分解活性，飲食成分，性別和禁食狀態(tài)的影響[35-36]。下表列出了糖尿病病人呼出氣中一些重要的生物標(biāo)志物(表3)[35,37-38]。

3 氧化應(yīng)激與呼出氣揮發(fā)性有機化合物

3.1慢性阻塞性肺病與呼出氣揮發(fā)性標(biāo)志物據(jù)WHO稱，慢性阻塞性肺病(COPD)是導(dǎo)致死亡的第五大原因，預(yù)計到2030年將上升至第3名[39]。肺功能檢查是COPD的主要檢測方法，但是需要進行反復(fù)的呼氣，不利于呼吸困難病人的檢查。而且它是對肺功能進行檢測而不是針對疾病。找到疾病客觀有效的生物標(biāo)志物將會大大提高診斷率，表4是對近5年與COPD有關(guān)的呼出氣中一些重要的潛在生物標(biāo)志物的匯總[40-45]。COPD的大多數(shù)揮發(fā)性有機物為醛類或烴類。雖然沒有單一的VOC可以有效的診斷COPD，然而多項研究都報導(dǎo)了這三種標(biāo)志物：hexanal,indole 和phenol。由于COPD病人體內(nèi)存在氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化，因此這些代謝物可能與COPD病人氧化應(yīng)激水平升高有關(guān)[39]。

表2 乳腺癌病人潛在的呼出氣生物標(biāo)志物

表3 糖尿病病人潛在的呼出氣生物標(biāo)志物

表4 慢阻肺病人潛在的呼出氣生物標(biāo)志物

表5 哮喘病人潛在的呼出氣生物標(biāo)志物

3.2哮喘與呼出氣揮發(fā)性標(biāo)志物哮喘是一種氣道的慢性炎癥性疾病，為氣道的可逆性阻塞，典型臨床癥狀為喘息，呼吸困難和胸悶[46]。哮喘的一些診斷方法在特異性，靈敏上都存在許多不足。這些病人又常常合并有呼吸系統(tǒng)的其他疾病(如兒童的病毒性感染和老年人的COPD)，這對哮喘的診斷造成了干擾。呼出氣中VOCs分析可以對氣道炎癥進行有效的評估,它們主要是由體內(nèi)活化的白細(xì)胞產(chǎn)生ROS導(dǎo)致氧化應(yīng)激而生成,能很好的鑒別哮喘和COPD病人[47]。此外還能夠區(qū)分過敏型和非過敏型哮喘[46]。VOCs作為炎癥通路的標(biāo)志物還可以指導(dǎo)哮喘病人的個體化治療。表5列出了哮喘中最具鑒別性的VOCs[48-52]。

4 神經(jīng)系統(tǒng)性疾病與呼出氣揮發(fā)性有機化合物

4.1肌萎縮側(cè)索硬化癥與呼出氣揮發(fā)性標(biāo)志物肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)，是一種進行性的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病,典型臨床癥狀包括肌無力、肌萎縮、球麻痹以及錐體束征。由于診斷延誤、疾病進展迅速、病理改變不可逆等諸多原因，大多數(shù)ALS病人在出現(xiàn)臨床癥狀后的2～5年內(nèi)死亡，因此確定可靠的診斷標(biāo)志物，早期診斷，早期干預(yù)是有效降低ALS病人死亡率的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。由于肌萎縮側(cè)索硬化癥的癥狀與脊髓型頸椎病(CSM)的癥狀十分相似,Li等對這兩種疾病的呼出氣進行了探索分析，發(fā)現(xiàn)了能夠鑒別兩者的潛在的揮發(fā)性生物標(biāo)志物(表6)，這些化合物在ALS組中降低，認(rèn)為可能與氧化應(yīng)激，蛋白質(zhì)聚集，興奮毒性，線粒體功能障礙，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激以及星形膠質(zhì)細(xì)胞與小膠質(zhì)細(xì)胞的信號通路的改變中的一種或多種機制有關(guān)[53]。

表6 肌萎縮側(cè)索硬化癥病人潛在的呼出氣生物標(biāo)志物

4.2帕金森病與呼出氣揮發(fā)性標(biāo)志物帕金森病(PD)是最常見的神經(jīng)系統(tǒng)性疾病。目前全世界患有PD的占世界人口的1.6%[54]。這種疾病的診斷主要依賴于臨床癥狀及體征。呼出氣分析技術(shù)對帕金森病也進行了探索分析(表7)[54]。PD與中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變形死亡有關(guān)，Aluf發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)紋狀體多巴胺損傷大鼠模型中氧化應(yīng)激水平增強[55]。揮發(fā)性化合物Styrene被認(rèn)為是與DNA損傷有關(guān)的毒素，由于氧化應(yīng)激的增強，PD病人中的Styrene可能會增加，在黑質(zhì)紋狀體多巴胺損傷的大鼠模型中也發(fā)現(xiàn)Styrene的含量升高[56]。

表7 PD病人潛在的呼出氣生物標(biāo)志物

5 總結(jié)

呼出氣揮發(fā)性有機化合物分析技術(shù)是基于血液中代謝的改變進行疾病的檢測，而不是基于影像學(xué)或者病理形態(tài)學(xué)，這種技術(shù)操作簡單，檢測結(jié)果易于理解。分析單一或一組揮發(fā)性標(biāo)志物可以對病人得臨床狀況進行評估。同時這種技術(shù)與全身循環(huán)有關(guān)，而不僅僅是針對局部檢查的部位，因此有助于克服疾病的異質(zhì)性。

然而目前呼出氣揮發(fā)性有機化合物分析技術(shù)在臨床應(yīng)用中仍處于起步階段，同種疾病的揮發(fā)性標(biāo)志物的輪廓圖存在很大的差異性。許多標(biāo)志物的確切代謝機制還不清楚，在研究中，外源性代謝物包括吸入的空氣，煙，攝入的食物和藥物以及進入體內(nèi)的其他的外源性分子都會對檢測結(jié)果造成影響，同時個體間存在的差異性也是我們將面臨的挑戰(zhàn)，需要更多的研究者們進行深一步的探索。