呼出氣揮發性有機化合物分析在診斷某些傳染性疾病中的作用▲

肖 江 朱成杰 商 艷，3 白 沖

(海軍軍醫大學附屬長海醫院1 呼吸與危重癥醫學科，3 全科醫學科，上海市 200433，電子郵箱：www.dycyd.com@163.com； 2 中國人民解放軍94804部隊衛生隊，上海市 200434)

【提要】 人呼出氣中含有多種揮發性有機化合物(VOCs)，反映機體的代謝狀況，為多種疾病中提供了大量的病理生理信息。研究表明，VOCs與多種傳染性疾病存在相關性，有望成為協助篩查、診斷以及治療監測傳染性疾病的生物標志物。故本文針對呼出氣VOCs分析在診斷某些傳染性疾病中的作用展開綜述。

人呼出氣主要由水蒸氣和惰性氣體組成，同時也含有多種揮發性有機化合物(volatile organic compounds，VOCs)[1]。呼出氣VOCs主要來源于3個方面：外部環境(吸入或通過皮膚吸收)、人類自身以及微生物群落的新陳代謝[2-4]。基于呼出氣的VOCs分析是一種可用于診斷多種疾病的新方法，具有快速、無風險和價格低廉等優點，其基本原理是：當機體出現某種疾病時，體內氧化應激、細胞色素p450、肝酶、糖類和脂質代謝等一種或多種生理過程發生改變，導致呼出氣VOCs發生明顯而直接的變化[5]。每種疾病都有其獨特的VOCs[6]，因此，對這些VOCs的分離和檢測可以用于多種疾病的早期篩查及診斷。既往關于VOCs的研究主要集中在慢性呼吸系統疾病，例如慢性阻塞性肺疾病[7-8]、支氣管哮喘[9-10]、肺癌[11-13]等。然而，也有學者發現，呼出氣VOCs也與多種傳染性疾病有著密切的關聯。本文就呼出氣VOCs分析在診斷某些傳染性疾病中的作用做一綜述。

1 呼出氣VOCs在診斷流行性感冒中的作用

流行性感冒(簡稱流感)是世界范圍內最常見的病毒性疾病之一，由屬于正黏病毒科的流感病毒引起，該病毒主要分為甲、乙和丙3種類型。其中，甲型流感病毒根據包膜上糖蛋白血凝素和神經氨酸酶的組合分為許多亞型，如H1N1或H3N2[14]。當兩種亞型病毒同時感染一個細胞時，兩種不同亞型病毒之間可能發生基因重組，新的亞型病毒就有了新的遺傳和生物學特征。甲型流感病毒的自然宿主是人類、水禽和豬，這種重組也可能發生在人畜共患型之間[15]。這些因素都可影響甲型流感的診斷、治療及預防。

由于流感病毒感染發生在呼吸道，在感染過程中從肺部呼出的VOCs可能會發生顯著變化。有研究表明，感染甲型流感病毒的B淋巴母細胞釋放的VOCs濃度會發生變化[15]，當人鼻腔內接種甲型流感病毒疫苗后，呼出氣成分也會發生改變[16]。因此，對感染流感病毒的患者呼吸氣進行VOCs分析可以提供額外的疾病早期信息。Aksenov等[15]在B淋巴母細胞分別感染3種亞型活流感病毒(H9N2、H6N2和H1N1)后測定細胞產生的VOCs，發現在釋放的VOCs中酯類和其他含氧化合物含量尤為顯著，可以作為檢測甲型流感病毒的生物標志物。Traxler等[17]應用氣相色譜-質譜技術對14只豬(對照組3只和甲型流感病毒感染組11只)的呼出氣VOCs進行分析，發現有6種VOCs可能與甲型流的進展有關，包括乙醛、丙醛、乙酸丙酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯和1,1-二丙氧丙烷。基于上述研究的結果，呼出氣VOCs分析具有大規模篩查甲型流感病毒的潛力，但仍需要進一步研究以建立相關生物標志物列表，并比較不同類型流感病毒感染后呼出氣中生物標志物的差異，確定這些化合物的診斷價值。

2 呼出氣VOCs在診斷肺結核中的作用

肺結核是一種通過空氣傳播的傳染性疾病，其診斷與治療仍然是當今全球公共衛生的一項重要難題，并且近年來多耐藥結核病的發病率逐漸上升[18-19]，社會負擔日益加重。目前肺結核的診斷主要依賴于痰涂片鏡檢或細菌培養，但在資源相對缺乏的地區，這些方法的應用受到限制[20]。與痰涂片鏡檢相比，半巢式全自動實時熒光定量PCR檢測的靈敏度顯著提高[18],然而由于樣本采集具有侵入性且成本較高，這一新技術在相對貧窮或資源有限的國家中的普及受到限制[21]。

近年來，已有學者采用不同方法檢測呼出氣VOCs用于診斷肺結核。Phillips等[22]采用氣相色譜-質譜技術分析了226例活動性肺結核患者的呼出氣VOCs，發現VOCs中包含幾種活動性肺結核的常見生物標志物，包括氧化應激產物(如烷烴和烷烴衍生物)以及結核分枝桿菌的揮發性代謝產物(如環己烷和苯衍生物)，這些生物標志物診斷活動性肺結核病患者的受試者工作特征曲線下面積為85%，敏感性為84%，特異性為64.7%。一項隊列研究利用陣列式傳感器的電子鼻系統(DiagNose,C-it BV)檢測呼出氣VOCs，結果表明其在區分健康對照組和肺結核患者方面的敏感性為93.5%，特異性為85.3%[23]。Zetola等[18]也使用類似的傳感器陣列分析呼出氣VOCs以區分肺結核患者和健康對照者，結果顯示其診斷靈敏度達94.1% ，特異度達90.0%；此外，在治療期間對肺結核病患者進行連續檢測，發現患者的VOCs出現時間依賴性的信號變化。以上研究表明，呼出氣VOCs分析在結核患者的診斷以及治療期間病情監測具有一定的作用。

3 呼出氣VOCs在診斷瘧疾中的作用

瘧疾是一種由瘧原蟲引起的急性傳染性疾病。目前已知有5種瘧原蟲對人類具有傳染性，以惡性瘧原蟲和間日瘧原蟲為主要類型[24]。瘧疾的常見癥狀包括發熱、頭痛和畏寒，通常在患者感染后10～15 d出現，如果在24 h內得不到及時治療，由感染惡性瘧原蟲所致的瘧疾患者病情可迅速進展甚至死亡。在地方和國際供資機構、區域瘧疾控制規劃和世界衛生組織的積極推動下，過去15年中瘧疾發病率和死亡率大幅下降，但消除瘧疾仍然是當前許多國家的目標。控制瘧疾需要準確、快速、可靠的診斷方法，快速診斷試驗在瘧疾的診斷中具有重要作用。快速診斷試驗可以檢測瘧原蟲釋放到血液中的許多蛋白質，例如富含組氨酸的蛋白質2和乳酸脫氫酶，然而其對低水平瘧原蟲血癥的瘧原蟲檢測不夠敏感[25]。因此，仍然需要尋找一種簡單、廉價、快速、可靠的診斷瘧疾的方法。

Berna等[26]收集了瘧疾患者治療期間的呼吸氣樣本分析VOCs，鑒定出9種化合物的濃度變化很大，包括二氧化碳、異戊二烯、丙酮、苯、環己酮以及4種硫醚[烯丙基甲硫醚、1-甲硫基丙烷、(Z)-1-甲硫基-1-丙烯和(E)-1-甲硫基-1-丙烯]，并且呼出氣中硫醚的含量隨著感染的加重而增加。此外，感染惡性瘧原蟲的患者呼吸氣中硫醚的含量明顯高于正常人，然而在感染間日瘧原蟲的患者中沒有觀察這種變化，因此，推測硫醚可能與惡性瘧原蟲獨特的致病機制有關[26]。還有研究顯示，在間日瘧原蟲、惡性瘧原蟲感染所致的瘧疾患者呼出氣中萜烯類化合物均顯著增加，萜烯類化合物對間日瘧原蟲、惡性瘧原蟲所致瘧疾的診斷準確率分別達91%、93.5%[27]。以上研究表明，多種呼出氣VOCs都有可能成為篩查瘧疾的生物標志物。

4 呼出氣VOCs在診斷人棘球蚴病中的作用

人棘球蚴病是由棘球絳蟲引起的一種傳染性疾病，最常見的臨床分型為肝囊型棘球蚴病(hepatic cystic echinococcosis，HCE)和肺泡性棘球蚴病(alveolar echinococcosis，AE)，人類可通過攝入污染水、食物，或與動物宿主(如狗和羊)的直接接觸而感染棘球絳蟲。人棘球蚴病在中國大部分地區流行，并在許多歐洲國家重新出現[28]，且大多數人棘球蚴病發生在資源缺乏地區，這導致該病的診斷既昂貴又困難。其中，AE型患者病情一般較重，90%的AE型患者如果不及時治療會出現死亡，而HCE型患者死亡率較低，但如果治療和護理不足，死亡率也可能會大幅上升[29]。

Welearegay等[30]納入32例HCE患者和43例健康對照者，以及16例AE患者和8例健康對照者，使用氣相色譜-質譜聯用儀以及專門開發的電子系統對所有研究對象的呼出氣進行分析，發現HCE患者呼出氣中有2種VOCs的濃度高于對照者，包括13-二十二碳烯酸、1-十三(碳)烯，而AE患者呼吸氣中有7種VOCs的濃度低于對照者，包括十六烷、十七烷、二十烷、11-(戊烷-3-基)二十一烷、三十四烷、 2-甲基二十八烷和三十一烷。這說明盡管這兩種疾病都是由棘球絳蟲引起的，但兩者的發病機制以及它們在體內所引起的化學變化可能是完全不同的。基于上述研究結果，Welearegay等[30]研發了包含8個傳感器陣列的電子鼻系統，并使用該系統對AE和HCE患者的呼吸氣進行檢測，結果表明該系統對AE、HCE的識別準確率分別為100%、92.9%。由此可見，呼出氣VOCs分析具有早期診斷人類棘球蚴病和篩查密切接觸人群的潛能。

5 小結和展望

2019年12月湖北省武漢市出現新型冠狀病毒肺炎病例，隨后這種疾病在全國和全世界范圍迅速傳播。目前，新型冠狀病毒肺炎的確診依據是從感染者鼻咽拭子、痰、下呼吸道分泌物、血液、糞便、眼分泌物等標本中檢測出新型冠狀病毒核酸[31]。在對無典型癥狀、與確診患者密切接觸而居家隔離的暴露人群進行篩查中，核酸檢測同樣具有重要作用，但檢測任務量大并且陽性率很低[32]。這也側面反映了核酸檢測的局限性：因無典型呼吸道癥狀而未及時就醫的患者，作為流動傳染源很難被發現，而且也有可能出現假陰性的結果。我國人口眾多，尤其一些大城市的人員流動性大，當發生某些傳染性疾病卻未能及時篩查、診斷時，容易造成大范圍播散。此次新型冠狀病毒肺炎疫情給我們敲響了警鐘，當社會發達、交通便利帶來便利的同時，也為某些傳染病的防治制造了難題。因此，尋找早期、簡易、快速地診斷方法對傳染性疾病防控具有重要意義，而呼出氣VOCs分析檢測為篩查傳染性疾病提供了一個新思路。呼出氣采樣無創、安全、簡便、易行，呼出氣VOCs分析有望成為某些傳染性疾病篩查的生物標志物，其不僅可以獨立篩查某些疾病，也可與當前的檢測方法相結合，以提高疾病診斷的準確性，從而給予早期診斷、治療。為了朝著這一目標發展，必須更好地探索呼出氣VOCs的產生機制，確定可重復使用的通用采樣方法，并根據不同疾病特點挑選特定的生物標志物以建立相應的分析平臺，從而推廣應用。