呼氣試驗的研究進(jìn)展及其在呼吸系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

黃冬薇，李志斌

（廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院干部病房三科，廣東 廣州 510010）

眾所周知，實驗室檢查在現(xiàn)代疾病診斷過程中扮演的角色越來越重要。近二十年來，有一類稱為呼氣試驗的實驗室檢查倍受關(guān)注。隨著13/14C-尿素呼氣試驗應(yīng)用于診斷胃幽門螺旋桿菌取得巨大成功，呼氣試驗研究掀起一篇熱潮。呼氣試驗（Breath tests）是指通過呼氣成分的直接測定或測定攝入特定化合物后呼氣中的標(biāo)志性氣體，實現(xiàn)對機(jī)體生理、病理狀態(tài)的非侵入性判斷。目前通過呼一口氣大致可以判斷糖尿病患者是否發(fā)生酮癥酸中毒、肝硬化患者肝性腦病，可以測量出機(jī)體的能量代謝率、心排血量、紅細(xì)胞壽命，為疾病的診斷治療提供了極大的便利。

1 呼氣試驗的發(fā)展概況

現(xiàn)代呼氣試驗開始于18世紀(jì)末，法國化學(xué)家拉瓦錫發(fā)現(xiàn)呼吸消耗氧氣、排出二氧化碳，隨后19世紀(jì)德國生理學(xué)家菲克將氣-液擴(kuò)散研究結(jié)果總結(jié)出著名的Fick心排血量計算等式，由此對現(xiàn)代呼氣試驗做出杰出理論貢獻(xiàn)。同一時期，重癥糖尿病患者呼氣呈“爛蘋果味”被證明為患者呼出大量丙酮所致。20世紀(jì)呼氣試驗發(fā)展迅速，其中13/14C-尿素呼氣試驗應(yīng)用于診斷胃幽門螺旋桿菌取得巨大成功[1]。目前呼氣試驗已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、藥理學(xué)、太空醫(yī)學(xué)等各個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，同時在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也取得一定的成功，如乙醇呼氣測定儀成為交通警察檢控酒后駕車的必備工具。在臨床中常用及研究較多呼氣試驗主要是營養(yǎng)及代謝疾病的診斷、肺功能評估、心功能評估、肝功能評估、胰腺外功能分泌功能評估，以及胃腸病學(xué)、腎病學(xué)、血液病學(xué)的應(yīng)用。

2 呼氣試驗的檢測方法

呼氣是由氣體、水蒸氣和懸浮微粒三部分組成，來源于環(huán)境空氣、機(jī)體細(xì)胞代謝及體內(nèi)微生物代謝，各種呼出氣體成分的含量變化可以反映機(jī)體的生理和病理改變。試驗的方法大致可分為兩大類，分別是呼氣成分的指示劑呼氣試驗(Indicator breath test)和直接檢測(Direct measurement)[1-2]。

2.1 指示劑呼氣試驗 指示劑呼氣試驗是指通過口服、吸入或注射等途徑攝入可原形呼出的標(biāo)志氣體或可代謝成為標(biāo)志性氣體的化合物，然后測定呼出標(biāo)志性氣體的變化，從而研究機(jī)體的生理、病理變化，所用的指示劑可分為核素示蹤劑和非核素指示劑兩類。C、H、O、N是四大生命元素，因此核素示蹤研究一般選用這四種元素的同位素標(biāo)記示蹤化合物，通常以13/14C-標(biāo)記最常用，偶見H、O等核素標(biāo)記。而非核素指示劑主要有不溶惰性氣體（如N2）、可溶氣體（如O2、CO2、CO、乙炔）和氫氣。

2.2 直接檢測 其又可分為高濃度氣體分析、痕跡氣體分析、呼氣冷凝液分析三大類。（1）高濃度氣體分析：空氣中有三大高濃度氣體，三者合計占無水空氣的99.9%，其余痕跡氣體總量不足0.1%，而呼氣中的高濃度氣體除了氮?dú)狻⒀鯕狻鍤馔猓€增加了二氧化碳，其濃度高達(dá)5%-5.5%，比空氣增加了100多倍。氧氣和二氧化碳是呼吸交換氣體，凡涉及整體氧氣利用和二氧化碳產(chǎn)生的生命過程最終都會反映在呼氣氧氣減少速率或二氧化碳增加速率的變化上，因此呼氣中的氧氣和二氧化碳分析是最基本和最重要的呼氣試驗。氧氣通常通過電學(xué)傳感器測定，而CO2多用紅外光譜吸收法來分析。氮?dú)饧皻鍤馐嵌栊詺怏w，可作為肺容積測定的稀釋指示劑使用。(2)痕跡氣體分析：痕跡氣體總量不足0.1%，但種類繁多，當(dāng)呼氣中被檢查濃度較高或使用的測定方法靈敏度較高時，可用直接采樣方式檢測，并根據(jù)氣體性質(zhì)不同采用不同的方法，包括電學(xué)分析、光學(xué)分析、色譜分析、質(zhì)譜分析或幾種方法聯(lián)合分析。而當(dāng)呼氣中被檢物質(zhì)濃度較低或所采用的測試方法靈敏度不佳時，可通過濃縮采樣檢測。1999年，Philips等學(xué)者用活性炭吸附和氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)合分析可檢出3 000余種揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile organic compounds，VOCs），其中有1 700多種的濃度高于空氣[3-4]。(3)呼氣冷凝液分析呼氣冷凝液（Breath condensate）一般是指－10℃-0℃條件下通過呼氣收集到的呼氣冷凝水。呼氣冷凝液含有各種生物活性分子，主要源于氣道和肺泡表面液體，此可用于肺生化功能的評估，其制備較為簡單，而呼氣冷凝液的檢測方法與一般體液化驗方法相同[5]。作為肺生化功能診斷的標(biāo)志，氣道炎癥狀態(tài)和氧化應(yīng)激狀態(tài)監(jiān)測是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，肺癌和感染病源基因?qū)W診斷也有一定的研究[6-9]。

3 呼氣試驗在呼吸系統(tǒng)疾病的應(yīng)用

近年來，呼氣試驗在呼吸系統(tǒng)疾病應(yīng)用的研究逐漸升溫，當(dāng)前研究較多的幾種內(nèi)源性痕跡氣體及應(yīng)用于呼氣冷凝液試驗的各種生物分子列舉如下：

3.1 NO NO已被證實為內(nèi)源性舒張因子的本質(zhì)，且在呼氣中存在內(nèi)源性NO，目前已成為公認(rèn)的氣道炎癥和氧化應(yīng)激的生化標(biāo)志。幾乎所有呼吸系統(tǒng)炎癥性疾病中，呼出NO都有不同程度的升高，包括各種鼻腔、鼻竇炎癥、急性上呼吸道感染、肺炎、急性肺損傷、支氣管哮喘、支氣管擴(kuò)張、慢性阻塞性肺病[10-11]。其中以支氣管哮喘、支氣管擴(kuò)張、過敏性鼻炎的升高程度最突出，但在囊性纖維化病人中卻降低或升高不明顯。NO的測量方法包括化學(xué)發(fā)光法、紅外激光吸收光譜法、光離子源質(zhì)譜、氣呼氣冷凝液NO分析，其中化學(xué)發(fā)光目前應(yīng)用最普遍[10,12]。

3.2 CO CO性質(zhì)較穩(wěn)定，呼氣濃度較高，測定方法簡單，電學(xué)傳感、紅外吸收光、氣相色譜是常用方法，其中氣相色譜是各種方法的參考標(biāo)準(zhǔn)，可用于CO中毒的診斷、戒煙檢控、氣道炎癥評估，但因呼氣CO有多種來源，其作為氣道炎癥標(biāo)記物的臨床價值不如NO。

3.3 H2O2呼氣中的H2O2主要來自氣道巨噬細(xì)胞和炎性粒細(xì)胞，只要這些細(xì)胞被激活和浸潤，呼氣H2O2理應(yīng)升高。與NO一樣，幾乎所有肺部疾病呼氣H2O2變化都有研究，支氣管哮喘和慢性阻塞性肺病的報道尤多，但目前文獻(xiàn)報道主要是利用呼氣冷凝標(biāo)本完成[13]。

3.4 烴類 呼氣烴類有環(huán)境攝入和內(nèi)源產(chǎn)生兩大來源，內(nèi)源性既可源于細(xì)菌代謝也可來自細(xì)胞代謝，其中乙烷和戊烷的應(yīng)用研究較為廣泛，其主要反映氧化應(yīng)激中的脂質(zhì)過氧化。而氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化在各種急慢性肺部炎癥的發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用，因此支氣管哮喘、慢阻肺、囊性纖維化、支氣管擴(kuò)張癥、間質(zhì)性肺炎、重癥監(jiān)護(hù)機(jī)械通氣病人并發(fā)肺炎等肺部炎癥患者的呼氣中，乙烷、戊烷濃度都有不同程度的增高[14]。其次吸煙者呼氣乙烷、戊烷明顯增加，可能與氧化應(yīng)激有關(guān)，也可能是煙草烴類含量過高所致。而與慢性肺病患者及吸煙者不同的是，肺癌患者呼氣戊烷有所降低，這有望成為肺癌早期診斷的新方法[15]。異戊二烯在氧化應(yīng)激及脂質(zhì)過氧化時濃度變化不大，但在急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)病人中卻會下降，這也可能與ARDS病人心率和呼吸明顯加速有關(guān)。機(jī)械通氣病人并發(fā)肺炎時戊烷升高而異戊二烯下降，因此可提示戊烷與異戊二烯比值有助于監(jiān)測重癥病人感染的發(fā)生[16-20]。

3.5 應(yīng)用于呼氣冷凝液的各種生物分子 除了上述的NO、過氧化氫外，脂質(zhì)炎癥介質(zhì)、細(xì)胞因子、脂質(zhì)過氧化物、血管活性胺等生物分子均可應(yīng)用于呼氣冷凝液試驗，其成分的測定可以反映哮喘、慢性阻塞性肺病、急性呼吸窘迫綜合征、肺間質(zhì)疾病等肺內(nèi)及氣道內(nèi)氧化應(yīng)激狀態(tài)、炎癥狀態(tài)的變化及程度，臨床應(yīng)用前景樂觀[21]。此外，目前有報道在部分肺癌病人呼氣冷凝液中檢出p53基因，提示肺癌基因診斷的可能性，也另有學(xué)者嘗試PCR檢測肺結(jié)核病人呼氣冷凝結(jié)核桿菌、銅綠假單胞菌基因，但結(jié)果陰性。但基因和微生物基因的研究仍需要更多的實驗觀察[22]。

4 小結(jié)

目前能用應(yīng)于臨床診治過程的呼氣試驗項目還為數(shù)不多，因為并非所有能夠引起呼氣成分變化的體內(nèi)生理病理過程都適合運(yùn)用呼氣試驗加以分析，呼氣試驗應(yīng)當(dāng)針對那些干擾因素少的或干擾因素能控制的步驟實施，但從這些已應(yīng)用的項目效果來看，呼氣試驗無疑有著光明的前景。對于呼吸系統(tǒng)疾病的診斷而言，肺部的生化診斷長期滯后于機(jī)體其他器官，多數(shù)血液生化指標(biāo)缺乏對肺的特異性，盡管肺泡灌洗液的檢驗和誘導(dǎo)排痰取樣檢驗使得肺部的生化診斷有了大的突破，但大多數(shù)患者無法接受這類侵入性的檢查。因此呼氣試驗技術(shù)的出現(xiàn)無疑為肺部的檢驗提供了便利條件。隨著眾多學(xué)者的參與、基礎(chǔ)與臨床等多學(xué)科的聯(lián)合研究，呼氣試驗將最終成為臨床不可或缺的檢驗手段，呼氣試驗在肺癌、肺部細(xì)菌感染、真菌感染等疾病的診斷價值將會成為未來的研究熱點(diǎn)。

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