電子鼻在腸道疾病診斷中應用的研究進展

郭澤尚, 王 磊, 常志勇

（1.吉林大學第一醫院結直腸肛門外科，吉林 長春 130021；2.吉林大學仿生工程教育部重點實驗室，吉林 長春130022）

腸道疾病是我國的常見病和多發病，近年來腸道疾病發病率呈逐年上升趨勢，嚴重威脅人民群眾的健康，給家庭和社會帶來沉重的負擔。隨著科技的發展，越來越多的診斷技術開始廣泛應用于腸道疾病診斷領域，提高了人類的健康水平。腸道疾病具有多種傳統診斷方法，如X 線氣鋇雙重造影［1］、腹 部CT［2］和 電 子 結 腸 鏡［3］等。應 用 傳 統 檢 測 方法診斷腸道疾病存在一定的局限性：首先，腸道疾病在我國屬于常見高發疾病，需要進行大規模的普查與篩查才能初步進行診斷，傳統檢測方法需要大量精密儀器和高級技術人才，不適合在廣大基層地區進行疾病的初步篩查；其次，多種腸道疾病屬于慢性疾病，患者需要進行長時間的檢查和治療，并且需要定期復查治療效果。傳統檢測方法價格較高，如患者反復進行腸道疾病的復查，會給患者帶來沉重的經濟負擔，因此進行腸道疾病早期診斷的儀器必須具有價格低、操作簡單和應用方便等特點，才能得到廣泛應用。

揮 發 性 有 機 化 合 物 （volatile organic compounds，VOCs） 是一類廣泛存在于多種人類代謝物（呼出氣體、 糞便和尿液等） 中的物質。1971 年，PAULING 等［4］首 次 對 人 體 代 謝 物 中 的VOCs 進 行 分 析， 采 用 氣 相 色 譜- 質 譜（gas chromatography mass spectrometry，GC-MS） 法證實：人體的呼出氣體和尿液中約存在250 種VOCs。1989 年，WILLIAMS 等［5］證明了訓練嗅探犬可以用于黑色素瘤的診斷，提示任何疾病均具有特征性的 “氣味印記”。這一 “揮發性假說” 已經被其他利用嗅覺進行疾病診斷的研究［6］所證實。VOCs是細胞代謝的最終產物，可能是由于基因或蛋白質的改變而引起細胞膜的氧化應激或過氧化反應所產生。VOCs 可以反映炎癥、壞死、癌癥和微生物群改變等多種代謝變化，也與環境污染、藥物及飲食等外部因素有關。 VOCs 在身體的代謝反應中產生，通過多種代謝途徑被排出體外。代謝組學方法在檢測和鑒別肺部疾病患者［7］、 內分泌疾病患者［8］和 感 染 患 者［9］方 面 具 有 較 高 的 可 靠 性。除 在上述疾病診斷中的應用， 多種人體代謝物中的VOCs 檢測同樣可以應用于腸道疾病的診斷。人的糞便中含有多種VOCs，糞便中的VOCs 由體內微生物的代謝和人體自身的代謝所產生，可以反映人體腸道微生物群的構成，糞便中VOCs 的種類和構成比的變化，與人體腸道疾病的發生發展過程有密切關聯［10］。除檢測糞便中的VOCs 以外，人體呼出氣體中的VOCs 也可作為診斷部分腸道疾病的常用指標。人類對于呼出氣體中產生的氣味與疾病之間關系的研究可以追溯至4 世紀，醫生根據以往經驗，就可以通過特殊氣味來診斷患者所患疾病［11］。人體呼出的氣體中含有大量代謝活動所產生的VOCs，主要由3 種途徑［12］產生：局部VOCs 直接沿呼吸道進入肺泡或氣道腔中；外源性VOCs 主要通過皮膚被吸收；一些來源于人體內的代謝過程VOCs 溶解在血液中，隨后排出循環，通過肺泡進入呼吸道。 腸道疾病過程可以造成呼出氣體中VOCs 種類和構成比的變化，尿液中的VOCs 也可以對腸道疾病的早期診斷發揮關鍵的作用［13］。電子鼻作為一種新興的VOCs 檢測工具，是近年來通過VOCs 進行疾病診斷的研究熱點。在電子鼻診斷腸道疾病的研究過程中，雖然相應研究團隊［14］發表了采用電子鼻進行臨床診斷的綜述性文章，但關于電子鼻系統在腸道疾病診斷中的總結性研究十分有限。本文作者總結了電子鼻技術的發展及其在腸道疾病診斷中的應用，并展望了電子鼻在腸道疾病診斷應用中的發展趨勢。

1 電子鼻系統的發展情況

電子鼻是在1982 年由英國沃里克大學的PERSAUD 等［15］提 出 的 一 種 可 以 模 仿 人 類 嗅 覺 系統的儀器。嗅覺系統可與其他器官，特別是大腦結合，形成嗅覺。具體過程為攜帶特定氣味的分子通過鼻甲骨進入含有神經細胞的嗅上皮及其毛狀終末、三叉神經終末和支持細胞［16］。氣味分子被嗅上皮黏液吸收，擴散到嗅細胞的纖毛上，并與其表面的特定受體（可能是氣味結合蛋白） 結合，從而使受體細胞去極化。同時一個電化學電位被激發并沿著軸突方向傳導到嗅球，然后再傳導至更高的大腦中樞，信號根據氣味的特征和強度進行識別［17］。人腦能夠記住由不同氣味分子引起的不同電位/信號，從而賦予人類識別氣味的能力。受嗅覺系統的啟發，將化學傳感器陣列與識別技術模式相結合的人工裝置（通常稱為電子鼻） 可作為一種性價比極高 的化學探測器。GARDNER 等［18］將電子鼻定義為 “一種儀器，包括一系列具有特異性的傳感器和適當的模式識別系統，能夠識別簡單或復雜的氣味”。電子鼻系統主要由氣味取樣操作器、傳感器陣列和信號處理系統3 個部分組成，其識別VOCs的主要原理是傳感器陣列中的每個傳感器對被測VOCs 混合物均有不同的靈敏度，當某種VOCs 混合物與特定傳感器接觸并發生反應，傳感器將化學輸入信號轉換成電信號， 由多個傳感器對一種VOCs 混合物的整體響應便構成了傳感器陣列對該混合物的整體響應譜，而整個傳感器陣列對不同VOCs 混合物的響應圖譜不同，正是這種區別，使得電子鼻系統可以根據傳感器陣列的響應圖譜進行不同VOCs 混合物的識別。為實現對氣味的定性或定量分析，必須將傳感器的信號進行適當的預處理（消除噪聲、特征提取和信號放大等） 后采用合適的模式識別分析方法對其進行更為準確的分析。電子鼻傳感器的主要類型包括金屬氧化物半導體（metal oxide semiconductor，MOS） 傳感器［19］、石英晶體微天平（quartz crystal microbalance，QCM）傳感器［20］、 場效應晶體管（field effect transistor，FET） 傳 感 器［21］和 固 態 電 化 學（solid state electrochemical sensor，SSES） 傳感器［22］等。

電子鼻技術具有響應時間短和檢測速度快等特點，無需復雜的預處理過程，操作簡單、方便，因而在許多領域中廣泛應用，包括食品檢測、環境監測和公共安全等。在食品檢測中，DONG 等［23］采用由化學電阻傳感器制成的電子鼻鑒別7 種咖啡豆，取 得 了 預 想 效 果；KODOGIANNI 等［24］采 用QCM 傳感器進行肉類腐敗的鑒別，也取得了成功。環 境 監 測 方 面，HERRERO 等［25］應 用 化 學 電 阻 傳感器電子鼻對水中污染物進行了有效的檢測區分。電子鼻在公共安全領域的應用主要集中在對爆炸物的檢測與鑒別方面，ZHOU 等［26］采用化學電阻傳感器陣列鑒別了爆炸物的種類，為反恐防爆檢測提供了一種新的方法。在臨床診斷中，電子鼻可以應用于多種人體疾病的檢測，為疾病的早期診斷和治療提供了幫助。

2 電子鼻在腸道疾病診斷中的應用

2.1電子鼻在結直腸癌（colorectal cancer，CRC）診斷中的應用CRC 是最常見的惡性腫瘤之一，在全球范圍內所有惡性腫瘤中，CRC 患病率排名第3 位，死亡率排名第2 位［27］。早期發現和治療是影響CRC 預后的關鍵因素，篩查是降低CRC 死亡率和經濟負擔的重要手段。結腸鏡檢查被認為是CRC 和腸道腺瘤篩查的金標準，而糞便免疫化學試驗（fecal immunochemical test，FIT） 是目前最常用的非侵入性糞便篩查試驗。FIT 診斷CRC 的敏感度為66%～88%，而診斷晚期腺瘤的敏感度僅為27%～41%。由于CRC 的預防應主要集中在早期發現和治療，因此尋找更新的、更精確的非侵入性篩查方法仍然是非常重要的研究方向。全世界研究者已達成廣泛共識， 在CRC 的檢測中， VOCs模式改變被認為是一種潛在的篩查標志物。VOCs是由人體內的生化代謝過程產生的化學物質，可以通過呼出氣體、尿液和糞便排出體外。電子鼻系統性價比高、檢測速度快、使用方便，通過檢測并分析VOCs，可 以 用 于CRC 的 診 斷。PENG 等［28］嘗試通過電子鼻將CRC 與其他癌癥進行區分，研究者從177 名年齡為20～75 歲的志愿者（肺癌、CRC、 乳腺癌和前列腺癌患者以及健康對照者）中采集呼出氣體，志愿者的呼出氣體由一系列基于有機功能化金納米粒子的交叉反應納米傳感器陣列進行檢測，結果表明：這種納米傳感器陣列不僅可以區分健康對照者和癌癥患者，還可以將CRC 患者與其他癌癥類型患者區分開。VAN DE GOOR等［29］收集CRC、頭頸部鱗狀細胞癌和膀胱癌患者的呼出氣體，并對樣本進行分析和比較的實驗結果證明：Aeonose電子鼻裝置可以將CRC與頭頸部鱗狀細胞癌和膀胱癌區分鑒別。WESTENBRINK 等［30］采用由13 個商用電化學和光學傳感器組成的WOLF電子鼻，檢測受試者尿液中的VOCs，隨后從數據中提取特征并分析的結果顯示： 電子鼻可以將CRC 患者與其他疾病患者相鑒別。除CRC 與其他癌癥的鑒別，多個團隊還對于癌前病變與CRC 以及健康對照者的鑒別進行了研究。DE MEIJ等［31］采用電子鼻技術區分CRC、晚期腺瘤和健康對照組研究對象，試驗共包括157 名研究對象，包括40 例臨床診斷為CRC 的患者，60 例診斷為晚期腺瘤的患者以及57 名健康對照者，采用Cyranose 320 電子鼻測量經過臨床診斷的CRC 患者、晚期腺瘤患者和對照組健康者（結腸鏡檢查未發現異常） 的糞便，然后計算相應的CRC 和晚期腺瘤患者檢測的敏感度和特異度的實驗結果顯示：CRC 患者糞便中的VOCs 明顯有別于對照組；晚期腺瘤患者的VOCs與對照組也可以區分。PEN3 電子鼻的傳感器陣列由10 個不同的熱調節（200 ℃～500 ℃） MOS 傳感器組成， 并對不同種類的化合物敏感。ALTOMARE 等［32］采 用PEN3 電 子 鼻 進 行 了 鑒 別CRC 與腸息肉的試驗，將受試者分為3 組納入研究，每組包含15 名受試者：CRC 組為CRC 患者，息肉組患者有至少1 個直徑為1 cm 及以上的良性腺瘤性息肉，健康對照組由結腸鏡檢查陰性的患者組成；收集上述受試者的呼出氣體，采用PEN3 電子鼻進行呼出氣體的檢測和分析的結果顯示：PEN3電子鼻可以區分CRC、 腸息肉和健康對照者。VAN KEULEN 等［33］采 用Aeonose 電 子 鼻 同 樣 精確地鑒別了CRC 與晚期腸道腺瘤患者。電子鼻在CRC 早期篩查中的應用研究也取得了相應進展，ZONTA 等［34-35］采 用 一 種 分 析 糞 便VOCs 的 新 型SCENT A1 電子鼻進行CRC 研究，該儀器為5 個化學電阻傳感器陣列組成的裝置，這些傳感器一旦與特定的糞便VOCs 接觸，就能夠改變電阻，產生相應特征，可以用于檢測低濃度CRC 生物標志物，使CRC 早期篩查成為可能。

2.2電子鼻在炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）診斷中的應用IBD 是一種慢性、復發性腸道炎癥性疾病，包括潰瘍性結腸炎和克羅恩病兩種類型。IBD 通常發生于青少年，發病率在過去幾十年中有所升高，而發病年齡呈下降趨勢。迄今為止，無論是最初的診斷，還是后續的疾病活動過程中，IBD 的內鏡檢查仍然是必要的，但是內鏡檢查作為一種侵入性檢查給患者帶來了較大負擔，因為內鏡檢查是在全身麻醉下進行，并且在進行檢查前通常需要通過鼻胃管進行強化性腸道準備。因此有必要尋找新的、非侵入性的生物標志物進行IBD 診 斷［36］。 ARASARADNAM 等［37］發 現：IBD 的發病機制涉及細菌的作用，這些細菌通過在腸道中發酵尚未經過發酵的多糖， 產生特有的VOCs， 而這些特征可以通過尿液進行檢測。ARASARADNAM 等［38］招 募48 例IBD 患 者（24 例克羅恩病患者和24 例潰瘍性結腸炎患者）和14 名健康對照者，記錄研究對象相應疾病的活動，并采集其尿液樣本，采用Fox 4000 電子鼻分析尿液中的VOCs，將實驗獲得的電子鼻數據進行分析的結果顯示：電子鼻可以準確區分IBD 患者與健康對照者。近年來，以呼出氣體的VOCs 作為非侵入性標志物進行IBD 診斷的應用增多。VOCs 大多數為正常代謝活動的產物，在某些情況下，其是與疾病相關的特定生物標志物的混合物。與IBD 相關的VOCs 是由與疾病發生過程相關的生物代謝過程所產生，最初生成于腸道，隨即擴散到血液中并進入肺泡， 最終通過呼出氣體被排出體外。TIELE 等［39］應 用WOLF 電 子 鼻 進 行 了IBD 檢 測，通過電子鼻檢測39 名受試者（14 例克羅恩病患者、19 例潰瘍性結腸癌患者和6 名健康對照者） 的呼出氣體，分析電子鼻產生的響應數據顯示：WOLF電子鼻不僅可以對IBD 患者和健康對照者進行區分，還可以鑒別潰瘍性結腸炎和克羅恩病。IBD 患者疾病的發生與大便產生的特征性氣味具有同步性。糞便的氣味是由VOCs 引起的，主要由腸道微生物群產生，因此推斷VOCs 可以作為檢測IBD 的非侵入性生物標志物。到目前為止，IBD 患者糞便中VOCs 的分析只在有限數量的研究中進行，大多數研究均使用氣象色譜質譜聯用儀（gas chromatography and mass spectrometry， GC-MS）識別具體的VOCs。雖然上述研究均顯示：糞便中的VOCs 可以作為IBD 無創檢測的生物標志物，但由于GC-MS 是一種昂貴、耗時的技術，需要訓練有素的技術人員進行操作，因此在臨床實踐中的應用受到阻礙。電子鼻技術允許科研人員在短時間內對整個糞便中的VOCs 響應譜進行相應分析。炎癥性腸病分為疾病活動期和臨床緩解期，快速確定患者所處分期對于后續治療至關重要，DE MEIJ等［40］研究發現：可以應用電子鼻，在IBD 的活躍期和臨床平穩期對潰瘍性結腸炎患者、克羅恩病患者和健康對照者進行鑒別，采用Cyranose 320 電子鼻研究臨床上新診斷為IBD的患兒和對照兒童的糞便，分析糞便中VOCs 的模式，通過計算進行相應VOCs 模式的識別。上述研究結果表明：在疾病活動期或者是臨床緩解期，Cyranose 320 電子鼻均可區分潰瘍性結腸炎患者、克羅恩病患者和健康對照者，在臨床活動期和緩解期電子鼻均可以有效區分克羅恩病和潰瘍性結腸炎。

2.3電子鼻在新生兒壞死性腸炎（neonatal necrotizing enteritis，NEC）診斷中的應用NEC 是一種急性腸道炎癥性疾病，主要影響早產兒，在早產后出生的新生兒中， 約7% 發生NEC， 發生NEC 的新生兒中有33%～50% 需要進行手術治療。患有NEC 的新生兒死亡率較高，是新生兒重癥監護病房中新生兒死亡的主要原因。NEC 的發病時間與患兒的胎齡成反比，嚴重早產兒常在出生后第4 周發病，而在接近足月的新生兒中，疾病通常發生在出生后的第1 周。新生兒出生體質量越低，發生NEC 的風險就越大，因為極低出生體質量（＜1 000 g） 和低出生體質量（＜1 500 g） 的新生兒發病率高達10%， 而足月新生兒發病率較低。NEC 的確切病理生理學機制尚不清楚， 據推測：當腸缺血使得腸道暴露于感染性病原體或腸道屏障不成熟以及易感宿主中的致病微生物介導細胞因子或生長因子作用于腸道時可以引起NEC。 評估NEC 患者的傳統診斷方法通常包括腹部前后位和腹部側位片，但腹部影像學檢查對NEC 的早期診斷價值較低。目前尚無已知的對NEC 有特異診斷作用的病原微生物，研究和分離能引起NEC 的特定細菌較困難，因此需要一種針對于早期NEC 診斷的特異性高的無創檢查方法［41］。由于糞便中的VOCs 被認為是反映腸道微生物群組成、同時也是代謝活性和微生物群與宿主相互作用的指標，因此其作為NEC 早期診斷的生物標志物具有很大的潛 力。 DE MEIJ 等［42］采用電子鼻進行了關于早產兒NEC 早期診斷的研究，在新生兒重癥監護室收集早產兒從出生到產后第28 天的糞便，受試者根據后期臨床診斷被分為NEC 組、繼發性敗血癥組和對照組。分析比較設置有3 個時間段：①臨床確診前4～5 d；②臨床確診前2～3 d；③臨床確診前1 d 和確診當天。采用Cyranose 320 電子鼻對3 組樣本進行分析的結果顯示：在臨床診斷前的2～3 d，患有NEC 的新生兒糞便中的VOCs 的模式特征與對照組有明顯差異；在診斷前1 d 和診斷當天，關于NEC 和對照組的鑒別診斷更為準確，采用電子鼻進行VOCs 分析有可能成為早期預測NEC 的無創 檢 測 手 段。BERKHOUT 等［43］對 于 能 否 應 用 電子鼻進行NEC 引發的繼發性敗血癥的早期診斷進行了研究，研究者每天采集胎齡小于30 周的早產兒的糞便樣本，采用Cyranose 320 電子鼻分析臨床診斷確定前5 d 患有繼發性敗血癥的早產兒糞便樣本的VOCs 的特征，并與對照組進行比較的結果顯示：臨床診斷前3 d 患有繼發性敗血癥的早產新生兒的糞便VOCs 的特征均可與對照組進行區分。

3 總結和展望

電子鼻裝置作為一種新興技術，具有許多傳統臨床診斷方式所不具備的優點，比如操作簡單、節省診斷時間、價格低廉和對人體無創傷等。將電子鼻系統應用于廣大基層醫療單位和社區衛生中心，可以在基層水平進行多種腸道疾病的大規模篩查，大幅度提高基層診斷能力。大型醫院可以應用電子鼻系統進行必要腸道疾病的快速診斷并迅速給予相應治療，以免貽誤和加重病情。本文作者總結了電子鼻系統應用于多種腸道疾病的診斷研究結果表明：電子鼻系統鑒別診斷相關疾病的準確率較高。盡管電子鼻系統在腸道疾病的鑒別診斷中具有上述優點，但是在將電子鼻系統應用于臨床實踐的過程中，仍然有一些缺點需要進行改進。首先，電子鼻系統是對多種VOCs 組成的混合物的響應譜進行區分與鑒別，與GC-MS 等技術比較，電子鼻不能精確測量VOCs 中成分的具體種類和構成比。如果應用于腸道疾病診斷中，電子鼻系統仍需改進診斷的精準程度，以做到臨床診斷中不誤診、不漏診；其次，關于電子鼻系統分析所需樣本采集的操作步驟尚未有統一的相關規則，如不按照統一規則，則會給之后的分析鑒別帶來困難，影響電子鼻診斷的效果。在未來大規模應用于臨床領域診斷前，相應規范要緊隨電子鼻系統的發展而完善。在科技飛速發展的今天，將仿生學儀器應用于腸道疾病診斷有很大的應用前景，隨著電子鼻系統的不斷完善和進步，電子鼻系統將廣泛應用于腸道疾病診斷領域。