人體呼出氣中總揮發性有機物水平與呼吸系統疾病相關性研究

劉靜莎，索 爽，高紅梅，陳文麗，陳 獻，張 曄，譚青海，谷 曄，張健鵬

人體呼出氣中總揮發性有機物水平與呼吸系統疾病相關性研究

劉靜莎1，索 爽2，高紅梅1，陳文麗1，陳 獻1，張 曄1，譚青海1，谷 曄1，張健鵬1

目的 探討人體呼出氣中總揮發性有機物（volatile organic conmpounds,VOCs）的濃度水平是否與疾病之間存在關聯，進而指導疾病早期診斷。方法 選取武警某三甲醫院收治的100例呼吸系統疾病患者為觀察對象，分為4組：肺癌組（n=15）、肺炎組（n=55）、肺纖維化組（n=15）、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary diseases,COPD）組（n=15）；同時選取我院81例健康醫護人員作為對照組。用光離子化探測器（photoionization detector，PID）測定所有對象呼出氣中總VOCs濃度（標記為Pvoc）。結果 與健康對照組相比，肺癌組（Z=-2.523，P=0.012）、肺炎組（Z=-4.281，P＜0.001）、肺纖維化組（Z=-3.204，P=0.001）及COPD組（Z=-2.644，P=0.008）Pvoc 測定結果均明顯降低，差異均有統計學意義。而肺癌組、肺炎組、肺纖維化組與COPD組之間Pvoc兩兩比較，差異均無統計學意義。結論 用PID測定人體呼出氣總VOCs濃度無助于對肺癌、肺炎、肺纖維化、COPD患者的診斷。

揮發性有機物；呼吸系統疾病；光離子化探測器

VOCs是常溫下以氣態形式存在于空氣中的可揮發性有機物的總稱。人體在生理代謝過程中會產生痕量的VOCs并經呼出氣呼出。因呼出氣成分檢測的無創、便捷、高靈敏度及高特異性等特點，近年來，呼出氣分析已被認為有可能成為一種安全便捷的疾病早期診斷方法[1]。目前，針對呼出氣VOCs的研究主要集中于對患者呼出氣中某一種或幾種VOCs的檢測分析。有研究顯示，正丁醇和3-羥基-2-丁酮可能是早期肺癌氣態標志物[2]；吲哚、十一烷醇及丁基羥基甲苯分別是大腸桿菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯桿菌的特征性VOCs等[3]。然而，呼出氣研究大多存在著樣本量小、重復性差、檢測技術方法繁雜、標準和方法不統一等不足，因而與實際臨床應用之間尚存在較大距離。迄今尚未見有關人體呼出氣中總VOCs濃度與疾病診斷的相關報道，本研究擬通過快速PID檢測技術對呼吸系統不同疾病患者呼出氣中總VOCs濃度進行檢測分析，以探討呼出氣中總VOCs濃度與疾病之間是否存在關聯，現報道如下。

1 對象與方法

1.1 對象 以2013-11至20 14-02，武警某三甲醫院呼吸內科收治的100例呼吸系統疾病患者為觀察對象，根據疾病種類分為4組，其中肺癌組15例，肺炎組55例，肺纖維化組15例，COPD組15例。同時選取我院81名健康醫護人員作為對照組。所有對象年齡18～80歲，并均知情同意，其一般資料及納入、排除標準見表1。

1.2 試驗器材 本研究所用的便攜式PID由美國RAE Systems公司提供，型號ppbRAE plus VOC，由主機（含傳感器及紫外線燈）、采樣管及水阱過濾器組成,是一種快速準確測定氣體中VOCs濃度的儀器。工作環境溫度-10～40℃，濕度0%～95%（無冷凝）；呼出氣干燥器采用不銹鋼材料自行制作，內以干燥棉填充。儀器間采用聚四氟乙烯管和硅膠管連接（圖1）。

圖1 PID檢測設備

1.3 方法 （1）將PID開機調試，受試者晨起空腹狀態，用清水清潔口腔后待測。先用PID測定環境空氣中VOCs濃度，作為背景VOCs濃度，記為Evoc；（2）受試者于處置室取坐位或仰臥位平靜呼吸0.5 h，用力吸氣后將呼出氣直接通過吹氣口勻速吹入PID中直至用力呼氣末，然后通過PID檢測屏直接讀出連續測量過程中VOCs濃度的最大值，作為校正前總VOCs濃度，記為Tvoc；（3）受試者呼出氣總VOCs記為Pvoc，Pvoc=Tvoc-Evoc，即為本試驗收集的目標數據。為最大限度收集患者的全部呼出氣體信息，以上操作重復測量3次，取最高值作為檢測結果并記錄。

1.4 統計學處理 數據采用SPSS17.0軟件包進行分析，因所收集數據為非正態資料，所有數據采用中位數（四分位間距）[M（Q）]表示，多組間的比較采用Kruskal-Wallis H秩和檢驗，各組間的兩兩比較采用Mann-Whitney U秩和檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 不同疾病組與健康對照組Pvoc的比較 經檢測，Pvoc在對照組為4800.00（2915.00） ppb，肺癌組為4060.00（1450.00） ppb，肺炎組為2958.00（1842.00）ppb，肺纖維化組為3056.00（2851.00）ppb，COPD組為3580.00（1458.00）ppb。與健康對照組相比，肺癌組（Z=-2.523，P=0.012）、肺炎組（Z=-4.281，P＜0.001）、肺纖維化組（Z=-3.204，P=0.001）及COPD組（Z=-2.644，P=0.008）Pvoc測定結果均明顯降低，差異均有統計學意義。

2.2 不同疾病組之間Pvoc結果比較 將肺癌組、肺炎組、肺纖維化組和COPD組各組進行Kruskal-Wallis H秩和檢驗，經檢驗發現各組間的差異無統計學意義（H=1.867，P=0.601）。進一步應用Mann-Whitney U秩和檢驗對各疾病組進行兩兩對比發現：肺炎組（Z=-1.167，P=0.243）、肺纖維化組（Z=-1.182，P=0.237）、COPD組（Z=-0.601，P=0.548）與肺癌組相比，肺纖維化組（Z=-0.336，P=0.737）、COPD組（Z=-0.508，P=0.611）與肺炎組相比，肺纖維化組與COPD組相比（Z=-0.601，P=0.548），Pvoc測定結果差異均無統計學意義。

表1 一般資料及納入、排除標準在各研究組的情況（x± s）

3 討 論

目前已有學者對哮喘、COPD、肺癌、肝癌、心絞痛等多種疾病患者的呼出氣成分進行了研究[4]，且多采用氣相色譜、電子鼻等技術對呼出氣中某一特定VOCs成分進行檢測。

本研究發現，肺癌組、肺炎組、肺纖維化組和COPD組Pvoc均顯著低于對照組，差異均有統計學意義。但肺癌組、肺炎組、肺纖維化組、COPD組各組間Pvoc的比較并無統計學差異，不能將各組一一鑒別開來。分析原因，肺癌患者的VOCs不是單獨地由腫瘤組織產生，而是腫瘤在發生和發展過程中引起機體一系列代謝紊亂而產生的[5]。肺泡上皮細胞的持續損傷是肺纖維化發病的關鍵環節，氧化應激及上皮細胞凋亡等多種機制均參與肺纖維化的發生和發展[6]。而COPD與肺炎等肺部炎性病變中存在的氧化應激是導致病情加重的重要因素。雖然上述疾病中或多或少存在氧化應激過程，導致機體代謝的紊亂與代償，進而產生相應的VOCs。從理論上講，其代謝產生的VOCs應有所增加。然而這些VOCs在人體正常生理代謝過程中也可產生，如飽和烷烴可通過脂質過氧化作用產生;異戊二烯主要產生于膽固醇合成的中間步驟；醛酮化合物中最重要的丙酮則來源于肝中乙酰輔酶 A的去羰基作用[7]。雖然目前關于肺癌及肺部感染性疾病特征性標志物的研究層出不窮，也找出了一些特征性VOCs[8,9]。但由于人體微生物及代謝產物的復雜多樣及個體差異存在，即使某一代謝途徑導致某種揮發性有機物的濃度增加，同時因另一代謝途徑的抑制，而使其他VOCs的產生減少，最終導致了呼出氣中總VOCs的濃度變化不大。因此，呼出氣中單個組分或成分VOCs濃度可能在不同疾病間存在差異，但是不能通過總VOCs濃度反映這種差異。因而，呼出氣總VOCs濃度的測定對于呼吸系統疾病早期識別并無幫助。

綜上所述，應用PID測定呼出氣總VOCs對呼吸系統疾病早期診斷無價值。今后的研究方向應重點關注具體單一VOCs成分。由于PID主要用于工業領域，將其應用于臨床，是一種VOCs研究方法學上的嘗試，無任何既往資料可供參考，所以本研究在方法學上可能會存在不足。另外，本研究存在對水蒸汽的處理僅采用簡單的物理干燥法、樣本量較小等不足之處，在今后的研究中，將進一步對PID方法學的細節進行不斷完善，并擴大樣本量等進一步評價該方法的臨床價值，使PID這一無創、便捷的VOCs檢測技術在臨床醫學領域發揮應有的價值。

[1]李雯雯,段憶翔.人體呼出氣分析的技術進展及其在非侵入式醫學診斷方面的臨床應用前景[J].化學進展,2015,27（4）:321-335.

[2]宋 耕,秦 濤,劉 虎,等.早期肺癌患者呼氣中痕量揮發性有機化合物的定量檢測[J].安徽醫科大學學報,2008,43（3）:323-325.

[3]李絢梅.部分細菌和真菌特征性揮發性有機物的研究[D].杭州：浙江大學,2012.

[4]黃冬薇,張德明,王露霞,等.革蘭陰性菌揮發性有機物的檢測與分析[J].重慶醫學,2013,42（11）:1224-1225.

[5]Hakim M,Broza Y Y,Barash O,et al.Volatile organic compounds of lung cancer and possible biochemical pathways[J].Chem Rev,2012,112（11）:5949-5966.

[6]du Bois R M.Strategies for treating idiopathic pulmonary fibrosis[J].Nat Rev Drug Discov,2010,9（2）:129-140.

[7]張 晨,趙美萍.人體呼出氣中揮發性有機化合物的檢測方法[J].化學進展,2010,22（1）：140-147.

[8]Fuch P,Loeseken C,Schubert K J,et al.Breath gas aldehydes as biomarkers of lung cancer[J].Int J Cancer,2010,126（11）:2663-2670.

[9]黃冬薇,張德明,王露霞,等.揮發性有機物檢測應用于下呼吸道感染病原菌診斷價值的探討[J].中國現代醫學雜志,2013,23（34）:40-44.

（2016-01-19收稿 2016-03-01修回）

（責任編輯 付 輝）

Research on the correlation between total volatile organic commpounds level in exhale gas and respiratory disease

LIU Jingsha1,SUO Shuang2,GAO Hongmei1,CHEN Wenli1,CHEN Xian1,ZHANG Ye1,TAN Qinghai1,GU Ye1,and ZHANG Jianpeng1.1.Department of Internal Respiratory,General Hospital of Chinese People’s Armed Police Forces,Beijing 100039,China；2.Department of Respiratory,Beijing Mentougou District Hospital,Beijing 102300,China

ZHANG Jianpeng,E-mail:zjp99@vip.sina.com

Objective To explore the correlation between volatile organic conmpounds (VOCs)concentration in human exhale gas and disease,in order to direct early diagnosis of disease.Methods 100 cases of patients with respiratory diseases one a first grade tertiary hospital of Chinese People’s Armed Police Forces were selected as research subjects,and divided into four groups:lung cancer group (n=15),pneumonia group (n=55),pulmonary fibrosis group (n=15)and chronic obstructive pulmonary diseases (COPD)group (n=15);81 cases of healthy medical staff were selected as the control group.Total VOCs concentration in exhaled gas (labeled Pvoc)of all subjects were detected by photoionization detector (PID).Results Compared with the control group,Pvoc of lung cancer group (Z=-2.523，P=0.012),pneumonia group (Z=-4.281，P＜0.001),pulmonary fibrosis group (Z=-3.204，P=0.001)and COPD group (Z=-2.644， P=0.008)were obviously decreased,the differences were all statistically significant.Comparison of Pvoc in any two groups of lung cancer group,pneumonia group,pulmonary fibrosis group and COPD group,there were no statistical significance.Conclusions Total VOCs concentration in exhale gas detected by PID has no contribution to the diagnosis of lung cancer,pneumonia,pulmonary fibrosis and COPD.

volatile organic compounds;respiratory disease;photoionization detector

R563

10.13919/j.issn.2095-6274.2016.04.003

劉靜莎，碩士研究生在讀，

E-mail:liujingsha880102@126.com

1.100039 北京，武警總醫院呼吸內科；

2.102300，北京門頭溝區醫院呼吸科

張健鵬，E-mail:zjp99@vip.sina.com