呼出氣體中VOCs檢測在疾病早期篩查中的應用

周輝

研究員北京大學醫(yī)學部呼出氣體檢測背景

在中國古時候人們已認識到，人的尿液中逸出的氣體或呼吸產生的氣味可以幫助診斷疾病傳統(tǒng)中醫(yī)的“聞”，指聽聲音和聞口氣腐臭味——胃熱所致，多為口腔、消化道病人;酸餿味——進食過多，消化不良;腥臭味——肺膿腫、支氣管擴張合并感染等；尿臊味——腎功能衰竭，不能正常排泄廢物；爛蘋果味——多半患有糖尿病；烤面包味——斑疹傷寒患者；鼠臭味——肝臟有病，多見于肝功能嚴重損害病人；大蒜味——有機磷農藥中毒，誤服滅鼠藥磷化鋅者；灰塵味——嚴重的營養(yǎng)失調；20世紀60年代，開始探索用現(xiàn)代分析儀器來代替具有精密化學測量功能的人體感官，對人體產生的氣體或氣味進行分析鑒定呼出氣體檢測背景

氣體成分%氮氣氧氣二氧化碳水蒸氣其它吸入氣體%78210.030.010.96呼出氣體%7816.44.630.030.94種類非常多的離子、代謝產物以及腺苷、ATP、氨、過氧化氫、前列腺素、乳酸、氧化氮、多肽以及細胞因子等眾多分子呼出氣體中的可揮發(fā)性有機物

（VolatileOrganicCompounds，VOCs）1971年，Pauling等首次提出了人體呼出氣體中存在VOCs目前，已經發(fā)現(xiàn)呼出氣體中存在上千種VOCs，其中大多數(shù)濃度在皮摩爾(10-12mol·L)或ppt(parts．per-trillion)級其中一部分VOCs被認為是與疾病緊密相關的

VOCs來源主要有兩個方面：1）通過呼吸系統(tǒng)吸入的或通過皮膚吸收的外源性VOCs2）體內各種生物化學過程產生的內源性VOCs。

細胞在維持細胞膜完整性、能量代謝的過程中以及氧化應激反應產生的內源性VOCs，是疾病診斷檢測的目標。不飽和脂肪酸的脂質過氧化可生成烷烴脂質過氧化的乙酰乙酸鹽去碳酸基過程可產生丙酮膽固醇的合成過程中會由乙酰輔酶A產生異戊二烯等細胞色素P450混合酶系統(tǒng)可將代謝產物如烷烴類和單甲基烷烴類氧化成醇肺癌患者中，由于細胞色素P450混合酶系統(tǒng)以及編碼該酶的多家族基因的改變，會導致氧化應激的代謝產物如烷烴類和單甲基烷烴類的降解，改變人體的VOCs組成呼出氣體VOCs檢測的臨床應用神經退行性疾病肺部疾病胃腸疾病感染類疾病VOCs肺部疾?。悍伟?、COPD、哮喘…胃腸類：胃癌、腸癌…感染類：幽門螺旋桿菌感染、陰道感染…神經退行性疾病：老年癡呆、帕金森…其他腫瘤類，如乳腺癌、頭頸癌…呼出氣體VOCs檢測優(yōu)勢

無需大型儀器和昂貴的耗材成本低無同位素

目前，穩(wěn)定同位素廣泛用于于代謝性疾病及感染性疾病等疾病的臨床診斷，如13C-標記。無創(chuàng)取樣

無需血液、組織等樣本，患者可自行操作，順應個體化醫(yī)療的趨勢，適用于廣泛篩查。不同的標記物陣列可適于識別各種疾病，可包括呼吸道疾病、消化道以及各種形式的癌癥等。普適性呼出氣體VOCs檢測方法3，其它高場不對稱波形離子遷移譜（FAIMS）分辨率達~100ppt（10-10M）呼出氣體VOCs檢測方法4，其它納米微陣列（Coated-

Nanoarray）應用于肺癌檢測

長期吸煙者有害物質高暴露人群肺部疾病患者有家族史的高危人群

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肺癌早期發(fā)現(xiàn)，高危人群實時監(jiān)控。研究表明，在肺癌發(fā)生的早期，細胞的氧化應激等狀態(tài)已經改變，人體呼出的氣體的組成結構和含量與健康人不同。

以上數(shù)據來源：《2013年中國腫瘤登記年報》呼出氣體檢測在肺癌早期診斷與相應肺癌分型中的應用已得到廣泛的關注肺癌中檢測的呼出氣體VOCs汪..汪..汪…(哥們，你貌似得癌了)應用FAIMS對VOCs的檢測可檢測出至少11種VOCs，最優(yōu)分辨率達到~10ppt量級應用FAIMS對肺癌患者呼出氣體VOCs的檢測優(yōu)勢：快速：檢測時間僅為10毫秒左右。小型化：與傳統(tǒng)的呼出氣檢測系統(tǒng)相比，放電溝道與離子遷移溝高度集成，從而易于實現(xiàn)小型化。高靈敏度：檢測靈敏度達到和超過了現(xiàn)有的大型檢測設備。PD的胃腸道病發(fā)假說Braak’s

HypothesisAD的特異性VOCs圖譜檢測陣列檢測AD/P