呼出气检测在肺癌诊断上的应用现状和展望呼出气检测在肺癌诊断上的应用现状和展望摘要：呼出气检测是指通过检测呼出气中的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs） ，对疾病作出判断的方法。相比健康人群，肺癌患者呼出气中 VOCs 的成分存在着显著差异，通过检测 VOCs 诊断肺癌是一种新的诊断方法，具有无创、安全、 敏感性和特异性较高、价格相对低廉的优势，有良好的应用前景。 关键词：呼出气；检测；挥发性；有机化合物；肺癌 通过对呼出气的检测，人们可以获得更多信息。呼出气体检测通过检测人体呼出气 体内相关的成分，从而对疾病的情况作出判断。肺癌患者的呼出气也有一些特征性的改变， 对呼出气进行检测，有可能成为一种新型、无创、简便、经济、敏感的肺癌诊断方法。 1.呼出气中挥发性有机化合物的定义 呼气中的主要成分为 N2、O2、CO2、水蒸气和惰性气体，另外还有一些含量很低 的被称为挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的成分。其成分复杂， 主要组分包括烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃类及硫烃类等。 2.呼出气体中的 VOCs 的产生机制 人类呼出气体中已知存在的 VOCs 有 500 余种，它们可被分为外源性和内源性两类： 内源性 VOCs 来源于人体血液中经由肺排出的代谢产物。其中具有诊断意义的内源性 VOCs 主要包括：饱和烃类（如乙烷，戊烷） 、不饱和烃类、含氧有机化合物、含硫有机化 合物和含氮有机化合物。 动物实验及临床试验已证实呼出气体中的乙烷、戊烷的含量与脂质过氧化反应的活 性之间存在着紧密联系，并可作为脂质过氧化反应的标志物。饱和烃类在血液中的溶解度 较低，因此易挥发并由呼吸从肺部排出。 呼吸气体中的不饱和烃类的代表主要是异戊二烯。动物实验发现其产生与肺泡表面 活性物质的氧化损伤有关。 呼吸气体中的 VOCs 产生与肺癌之g 的关联尚不十分明确。目前初步认为细胞癌变过程中增加了氧自由基的活动，这些氧自由基可引起蛋白质、多不饱和脂肪酸及 DNA 等的过氧化损伤，而细胞膜上的多种不饱和脂肪酸，通过脂质的过氧化反应，可转化为易 挥发的烷烃类，如乙烷，戊烷等，这些烷烃类物质易通过呼吸气体排出。此外，这些烷烃 物质也可通过细胞色素 P450 混合酶系统代谢，将其氧化成烷醇，排出体外。系列研究显 示该酶系在肺癌患者中激活，导致氧化应激的代谢产物，如烷烃类和单甲基烷烃类的加速 降解，并产生呼出气体相应成分的可测量的变化。 3.VOCs 的收集、浓缩与检测手段 VOCs 的整个检测过程主要包括收集，预浓缩（吸附和解吸） ，分离检测以及数据后 期定性定量分析这四大步骤。 3.1 气体收集 目前尚无公认标准的收集方法，主要是在操作中避免气体外漏和外界 气体的污染。常用的方法有使用 Breath CoHecfing Apparatus（BCA）或 Bio-Vocbreath sampler 采样，该方法对仪器和技术要求稍高。另外一种是直接向采样袋或采样容器内呼气， 操作简便，无需特殊的收集仪器，但缺点是收集的气体中含有未经过肺泡中血气交换的死 腔气体。 3.2 气体浓缩 人体呼吸中的 VOCs 气体含量极低，要求检测前对样本进行预浓缩。这一步骤可通过固相微萃取（solid Phase Micro.Extraction，SPME） 、热解析等吸附技术来 实现。SPME 联合气相色谱分析（gas chromatographv，Gc）对 VOCs 的测定具有较高的敏 感性和稳定性。 3.3 气体分析 VOCs 经预浓缩后可通过加热使其脱附，再用气相色谱及质谱检测仪 （mass spectrum，MS）进行定性和定量的分析 l 引。某一种 VOCs 很难与相关疾病建立直 接的关系，而选取多种化合物所构建的 VOCs 模型在不同疾病之间以及疾病与正常状态之 间则具有较明显的差异。 气体的检测方法还有电子鼻，电子鼻是一种模拟人类嗅觉系统的智能电子仪器。电 子鼻的优点是响应时间短、检测速度快、无需复杂的样品预处理过程。 4.VOCs 检测在肺癌诊断中的应用现状 与健康人群相比，肺癌患者呼出气中 VOCs 存在着明显差异，检测 VOCs 对肺癌的 诊断有帮助，目前的研究显示需建立多种 VOCs 的联合检测诊断模型才能提高诊断的敏感 性和特异性。 呼吸气体检测应用于肺癌诊断的设想早期由 ONeill 等提出，该学者鉴定出 28 种 VOCs 成分，主要是烷烃类：如己烷和甲基戊烷，以及苯的衍生物。 1999 年 Phillip M 筛选出 22 种 VOCs，主要是烷烃类及其衍生物和苯的衍生物。 2003 年 Phillip M 和他的研究小组又从上述 VOCs 中挑选其中 9 种作为肺癌早期诊断或筛 查的肿瘤标志物，并构建了相应的试验方法及预测的统计学模型。在 2007 年其所报道的实 验性诊断研究中，结果显示采用共 22 种 VOCs 建立的模型，当敏感性为 100%、特异性为 81.3%时的肺癌诊断符合率为 46%，而当敏感性为 66.7%、特异性为 100%时诊断符合率为 90%。该方法总的诊断符合率为 81.5%。 Machado 采用电子鼻装置作为 VOCs 的检测手段。每份气体使用手提式电子鼻装置 测试 5 次。在实验设计上，其先在非盲法条件下选取 14 例未治疗的肺癌患者和 45 例非肺 癌患者作为对照组进行检测，并根据电子鼻测得的结果构建了诊断预测模型。结果显示此 模型的阳性预测率为 66.6%、阴性预测率为 93.4%，敏感性为 71.4%、而特异性为 91.9%。 同时后期再使用 GCMS 对该模型诊断出的肺癌患者的呼吸气体中的 VOCs 进行测定，发现 主要为戊烷、异戊二烯、丙酮和苯衍生物。该方法的缺点在于对 VOCs 仍然不能作出定性 与定量分析，仅能作为初筛检验使用。 Diana Poli 等通过比较肺癌患者术前以及术后 VOCs 的变化，得出呼吸气体中异戊二 烯的含量在手术切除肿瘤后明显下降，提示 VOCs 不但能早期诊断肺癌，还有助于对患者 随访观察。 5.总结及展望 呼出气检测诊断肺癌为我们提供一种新的诊断方法，比较其它肺癌检查方法，具有 无创、安全、敏感性和特异性较高、价格相对低廉的优势。今后的重点在于如何将医学和 工程学更好地结合，如何使呼出气检测便捷地用于临床及寻找更有效的气体分析模型以用 于筛查诊断。