呼出氣揮發性有機化合物在臨床轉化醫學中的應用

白楊，郭雷，李恩有

呼出氣的檢測可以追溯到醫學發展的早期，在古代，希臘醫生就知道呼吸氣味與某些疾病有關，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可以診斷某些疾病或監測體內的代謝過程。

現代呼出氣的研究開始于20世紀70年代，Linus Pauling在人體的呼出氣中發現200多種不同的揮發性有機化合物(volatile organic compound,VOCs)，證實了人體呼出氣成分的復雜性[2]。2017年ACS Nano雜志發表的一篇文章報導使用納米檢測技術對人體呼出氣分析，在數分鐘內可以診斷包括肺癌等17種疾病,引起了廣泛的關注[3]。與血液和尿液分析相比，呼出氣分析被認為是既方便又安全的方式，而與傳統診斷技術相比，呼出氣分析具有無創、操作簡單、依從性好以及能夠實時監測等優點。目前，基于呼出氣分析技術常見的臨床應用包括：檢查酒后駕駛時測定乙醇和乙醛(乙醇的代謝產物)，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，使得一些新的標志物為疾病的診斷和鑒別診斷提供了可能。現對臨床應用中呼出氣中的重要揮發性標志物進行總結。

1 癌癥與呼出氣揮發性有機化合物

1.1肺癌與呼出氣揮發性標志物據世界衛生組織(WHO)稱肺癌是導致死亡的主要原因，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)和正電子發射斷層掃描(PET)等。這些技術只能提供一些有限的信息,如CT掃描技術很難診斷腫瘤的良惡性以及臨床分期，因此多數情況下需要進行活組織檢查，而這種檢查方法創傷大，費用高，并且有潛在的出血風險甚至由于出血而導致死亡[7]。

近年來呼出氣VOCs分析技術對癌癥進行了廣泛的研究，其中以肺癌的研究數量最多。VOCs分為外源性和內源性，外源性VOCs可以從外部環境中通過吸入或吞食進入體內，然后從呼出氣排出，內源性VOCs主要是體內代謝過程中的產物。癌癥的病人在病理情況下代謝發生變化導致VOCs的成分和濃度也發生相應的改變，參與這一變化的主要機制包括：氧化應激的增強，細胞色素P450的誘導，碳水化合物代謝(如糖酵解和糖異生途徑)和脂質代謝的改變[8]。肺癌病人體內產生的特異性VOCs釋放到血液中，根據血/氣分配系數(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，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)與肺癌有關的一些重要的潛在生物標志物的匯總[9-25]。

1.2乳腺癌與呼出氣揮發性標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，癌癥的早期發現，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[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]并且對其產生的機制進行了分析。大部分實驗結果支持這些化合物來源于氧化應激。癌細胞在惡性生長過程中發生基因突變和蛋白質的表達異常，產生大量的活性氧(ROS)導致細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生過氧化生成[29]。此外Phillips認為乳腺癌特異性VOCs與雌激素代謝機制的變化和細胞色素P450酶活性增加有關，雌激素可以刺激正常的和腫瘤乳腺上皮細胞的增值[28]，雌激素的代謝產物起著致癌的作用，其代謝機制的改變可以產生一些特異性的揮發性化合物[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，是細胞色素P450酶復合體的一部分。其它的P450酶在乳腺癌機體內也被激活如CYR1A1,CYP1B1和CYP3A4，P450酶可以誘導多種生物反應，包括促進烷烴，烯烴和芳香化合物的生物轉化[27]。

表1 肺癌病人潛在的呼出氣生物標志物

2 代謝性疾病與呼出氣揮發性有機化合物

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WHO稱全球約有3.5億人患有糖尿病，預計到2030年將成為第七大死亡原因[33]。糖尿病是一種多變復雜的疾病，幾乎影響人體的每一個器官。目前診斷和監測糖尿病的主要方法是檢查血糖值，這種方法由于有創常常給病人帶來不便。

呼出氣VOCs分析技術的發展為糖尿病的日常監測和早期診斷提供了可能。已經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志物，與酮癥酸中毒相關[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]。研究還發現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性[34]。健康者呼出氣的丙酮濃度在0.044 ppm～2.774 ppm的范圍內，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志物(表3)[35,37-38]。

3 氧化應激與呼出氣揮發性有機化合物

3.1慢性阻塞性肺病與呼出氣揮發性標志物據WHO稱，慢性阻塞性肺病(COPD)是導致死亡的第五大原因，預計到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志物將會大大提高診斷率，表4是對近5年與COPD有關的呼出氣中一些重要的潛在生物標志物的匯總[40-45]。COPD的大多數揮發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了這三種標志物：hexanal,indole 和phenol。由于COPD病人體內存在氧化應激和脂質過氧化，因此這些代謝物可能與COPD病人氧化應激水平升高有關[39]。

表2 乳腺癌病人潛在的呼出氣生物標志物

表3 糖尿病病人潛在的呼出氣生物標志物

表4 慢阻肺病人潛在的呼出氣生物標志物

表5 哮喘病人潛在的呼出氣生物標志物

3.2哮喘與呼出氣揮發性標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,它們主要是由體內活化的白細胞產生ROS導致氧化應激而生成,能很好的鑒別哮喘和COPD病人[47]。此外還能夠區分過敏型和非過敏型哮喘[46]。VOCs作為炎癥通路的標志物還可以指導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 神經系統性疾病與呼出氣揮發性有機化合物

4.1肌萎縮側索硬化癥與呼出氣揮發性標志物肌萎縮側索硬化癥(ALS)，是一種進行性的神經系統變性疾病,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ALS病人在出現臨床癥狀后的2～5年內死亡，因此確定可靠的診斷標志物，早期診斷，早期干預是有效降低ALS病人死亡率的關鍵性環節。由于肌萎縮側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，發現了能夠鑒別兩者的潛在的揮發性生物標志物(表6)，這些化合物在ALS組中降低，認為可能與氧化應激，蛋白質聚集，興奮毒性，線粒體功能障礙，內質網應激以及星形膠質細胞與小膠質細胞的信號通路的改變中的一種或多種機制有關[53]。

表6 肌萎縮側索硬化癥病人潛在的呼出氣生物標志物

4.2帕金森病與呼出氣揮發性標志物帕金森病(PD)是最常見的神經系統性疾病。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。呼出氣分析技術對帕金森病也進行了探索分析(表7)[54]。PD與中腦黑質多巴胺能神經元的變形死亡有關，Aluf發現黑質紋狀體多巴胺損傷大鼠模型中氧化應激水平增強[55]。揮發性化合物Styrene被認為是與DNA損傷有關的毒素，由于氧化應激的增強，PD病人中的Styrene可能會增加，在黑質紋狀體多巴胺損傷的大鼠模型中也發現Styrene的含量升高[56]。

表7 PD病人潛在的呼出氣生物標志物

5 總結

呼出氣揮發性有機化合物分析技術是基于血液中代謝的改變進行疾病的檢測，而不是基于影像學或者病理形態學，這種技術操作簡單，檢測結果易于理解。分析單一或一組揮發性標志物可以對病人得臨床狀況進行評估。同時這種技術與全身循環有關，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性。

然而目前呼出氣揮發性有機化合物分析技術在臨床應用中仍處于起步階段，同種疾病的揮發性標志物的輪廓圖存在很大的差異性。許多標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的其他的外源性分子都會對檢測結果造成影響，同時個體間存在的差異性也是我們將面臨的挑戰，需要更多的研究者們進行深一步的探索。