1、.,呼出氣體中VOCs檢測在疾病早期篩查中的應(yīng)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(chǎn)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??； 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(nóng)藥中毒，誤服滅鼠藥磷化鋅者； 灰塵味嚴重的營養(yǎng)失調(diào)；,.,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

2、感官，對人體產(chǎn)生的氣體 或氣味進行分析鑒定,呼出氣體檢測背景,種類非常多的離子、代謝產(chǎn)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,.,每個人所呼出的氣體中都含有水蒸氣和二氧化碳等空氣成份，但其他成份卻不盡相同 有人認為每個人呼出的化合物和人類的指紋一樣是獨一無二 各種內(nèi)源性的代謝物組合，可以作為 生物標志物，反應(yīng)人體的健康狀況， 從而應(yīng)用于疾病的早期篩查,呼出氣體檢測背景,.,呼出氣體中的可揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）,1971年，Pauling等首次提出了人體呼出氣體中存在VOCs 目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)呼出

3、氣體中存在上千種VOCs，其中大多數(shù)濃度在皮摩爾(10-12 molL)或ppt(partsper-trillion)級 其中一部分VOCs被認為是與疾病緊密相關(guān)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VOCs 2）體內(nèi)各種生物化學過程產(chǎn)生的內(nèi)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(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)源性VOCs，是疾病診斷檢測的目標。,不飽和脂肪酸的脂質(zhì)過氧化可生成烷烴 脂質(zhì)過氧化的乙酰乙酸鹽去碳酸基過程可產(chǎn)生丙酮 膽固醇的合成過程中會由乙酰輔酶A產(chǎn)生異戊二烯等 細胞色素P450混合酶系統(tǒng)可將代謝產(chǎn)物如烷烴類和單甲基烷烴類氧化成

4、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(yīng)激的代謝產(chǎn)物如烷烴類和單甲基烷烴類的降解，改變?nèi)梭w的VOCs組成,.,呼出氣體VOCs檢測的臨床應(yīng)用,神經(jīng)退行性疾病,肺部 疾病,胃腸 疾病,感染類 疾病,VOCs,肺部疾病：肺癌、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(jīng)退行性疾?。豪夏臧V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

5、者可自行操作，順應(yīng)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,1， GC-MS（定量）,（氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀） 分辨率達 ppb（10-9M）,.,呼出氣體VOCs檢測方法,2， 電子鼻（模糊識別）,Cyranose 320,NoseChip array of nanocomposite sensors Pattern recognition algorithms,.,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（10-10

6、M）,.,呼出氣體VOCs檢測方法,4， 其它,納米微陣列（Coated- Nanoarray）,.,呼出氣體VOCs檢測方法,5， 其它-狗鼻子,分辨率達 ppt（10-12M）,.,應(yīng)用于肺癌檢測,長期吸煙者 有害物質(zhì)高暴露人群 肺部疾病患者 有家族史的高危人群,.,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(yīng)激等狀態(tài)已經(jīng)改變，人體呼出的氣體的組成結(jié)構(gòu)和含量與健康人不同。,以上數(shù)據(jù)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(yīng)肺癌分型中的應(yīng)用已得到廣泛的關(guān)注,.,.,肺癌中檢測的呼出氣體VOCs,.,汪.汪.汪 (哥們，你貌似得癌了)

7、,.,超高場不對稱波形離子遷移譜（FAIMS）,具有高靈敏度和高特異性的特質(zhì)，實現(xiàn)了新型的高場非對稱波形離子遷移譜（FAIMS）技術(shù)和復雜背景中痕量氣體檢測的有效結(jié)合,.,應(yīng)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(yīng)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(shè)備。,.,應(yīng)用于神經(jīng)退行性疾病檢測,以阿爾茲海默病、帕金森病為首的神經(jīng)退行性疾病正成為威脅中老年人群健康的一個顯著的全球公共衛(wèi)生問題 迄今為止，全世界阿爾茲海默病患者已超過2600萬人，帕金森病患者超過500萬，其中一半以上在中國 60歲以上人群中阿爾茲海默病發(fā)病率約5%，帕金森病約為2%，即100個人中將有高達7個人患病 神經(jīng)退行性疾病患者的細胞因為異常代謝，產(chǎn)生的VOCs異于健康人，早期發(fā)現(xiàn)高危人群，實