呼气试验的研究进展及其在呼吸系统疾病中的应用

黄冬薇，李志斌

（广州军区广州总医院干部病房三科，广东 广州 510010）

众所周知，实验室检查在现代疾病诊断过程中扮演的角色越来越重要。近二十年来，有一类称为呼气试验的实验室检查倍受关注。随着13/14C-尿素呼气试验应用于诊断胃幽门螺旋杆菌取得巨大成功，呼气试验研究掀起一篇热潮。呼气试验（Breath tests）是指通过呼气成分的直接测定或测定摄入特定化合物后呼气中的标志性气体，实现对机体生理、病理状态的非侵入性判断。目前通过呼一口气大致可以判断糖尿病患者是否发生酮症酸中毒、肝硬化患者肝性脑病，可以测量出机体的能量代谢率、心排血量、红细胞寿命，为疾病的诊断治疗提供了极大的便利。

1 呼气试验的发展概况

现代呼气试验开始于18世纪末，法国化学家拉瓦锡发现呼吸消耗氧气、排出二氧化碳，随后19世纪德国生理学家菲克将气-液扩散研究结果总结出著名的Fick心排血量计算等式，由此对现代呼气试验做出杰出理论贡献。同一时期，重症糖尿病患者呼气呈“烂苹果味”被证明为患者呼出大量丙酮所致。20世纪呼气试验发展迅速，其中13/14C-尿素呼气试验应用于诊断胃幽门螺旋杆菌取得巨大成功[1]。目前呼气试验已广泛应用于基础医学、营养学、药理学、太空医学等各个医学领域，同时在非医学领域也取得一定的成功，如乙醇呼气测定仪成为交通警察检控酒后驾车的必备工具。在临床中常用及研究较多呼气试验主要是营养及代谢疾病的诊断、肺功能评估、心功能评估、肝功能评估、胰腺外功能分泌功能评估，以及胃肠病学、肾病学、血液病学的应用。

2 呼气试验的检测方法

呼气是由气体、水蒸气和悬浮微粒三部分组成，来源于环境空气、机体细胞代谢及体内微生物代谢，各种呼出气体成分的含量变化可以反映机体的生理和病理改变。试验的方法大致可分为两大类，分别是呼气成分的指示剂呼气试验(Indicator breath test)和直接检测(Direct measurement)[1-2]。

2.1 指示剂呼气试验 指示剂呼气试验是指通过口服、吸入或注射等途径摄入可原形呼出的标志气体或可代谢成为标志性气体的化合物，然后测定呼出标志性气体的变化，从而研究机体的生理、病理变化，所用的指示剂可分为核素示踪剂和非核素指示剂两类。C、H、O、N是四大生命元素，因此核素示踪研究一般选用这四种元素的同位素标记示踪化合物，通常以13/14C-标记最常用，偶见H、O等核素标记。而非核素指示剂主要有不溶惰性气体（如N2）、可溶气体（如O2、CO2、CO、乙炔）和氢气。

2.2 直接检测 其又可分为高浓度气体分析、痕迹气体分析、呼气冷凝液分析三大类。（1）高浓度气体分析：空气中有三大高浓度气体，三者合计占无水空气的99.9%，其余痕迹气体总量不足0.1%，而呼气中的高浓度气体除了氮气、氧气、氩气外，还增加了二氧化碳，其浓度高达5%-5.5%，比空气增加了100多倍。氧气和二氧化碳是呼吸交换气体，凡涉及整体氧气利用和二氧化碳产生的生命过程最终都会反映在呼气氧气减少速率或二氧化碳增加速率的变化上，因此呼气中的氧气和二氧化碳分析是最基本和最重要的呼气试验。氧气通常通过电学传感器测定，而CO2多用红外光谱吸收法来分析。氮气及氩气是惰性气体，可作为肺容积测定的稀释指示剂使用。(2)痕迹气体分析：痕迹气体总量不足0.1%，但种类繁多，当呼气中被检查浓度较高或使用的测定方法灵敏度较高时，可用直接采样方式检测，并根据气体性质不同采用不同的方法，包括电学分析、光学分析、色谱分析、质谱分析或几种方法联合分析。而当呼气中被检物质浓度较低或所采用的测试方法灵敏度不佳时，可通过浓缩采样检测。1999年，Philips等学者用活性炭吸附和气相色谱/质谱联合分析可检出3 000余种挥发性有机物（Volatile organic compounds，VOCs），其中有1 700多种的浓度高于空气[3-4]。(3)呼气冷凝液分析呼气冷凝液（Breath condensate）一般是指－10℃-0℃条件下通过呼气收集到的呼气冷凝水。呼气冷凝液含有各种生物活性分子，主要源于气道和肺泡表面液体，此可用于肺生化功能的评估，其制备较为简单，而呼气冷凝液的检测方法与一般体液化验方法相同[5]。作为肺生化功能诊断的标志，气道炎症状态和氧化应激状态监测是当前的研究热点，肺癌和感染病源基因学诊断也有一定的研究[6-9]。

3 呼气试验在呼吸系统疾病的应用

近年来，呼气试验在呼吸系统疾病应用的研究逐渐升温，当前研究较多的几种内源性痕迹气体及应用于呼气冷凝液试验的各种生物分子列举如下：

3.1 NO NO已被证实为内源性舒张因子的本质，且在呼气中存在内源性NO，目前已成为公认的气道炎症和氧化应激的生化标志。几乎所有呼吸系统炎症性疾病中，呼出NO都有不同程度的升高，包括各种鼻腔、鼻窦炎症、急性上呼吸道感染、肺炎、急性肺损伤、支气管哮喘、支气管扩张、慢性阻塞性肺病[10-11]。其中以支气管哮喘、支气管扩张、过敏性鼻炎的升高程度最突出，但在囊性纤维化病人中却降低或升高不明显。NO的测量方法包括化学发光法、红外激光吸收光谱法、光离子源质谱、气呼气冷凝液NO分析，其中化学发光目前应用最普遍[10,12]。

3.2 CO CO性质较稳定，呼气浓度较高，测定方法简单，电学传感、红外吸收光、气相色谱是常用方法，其中气相色谱是各种方法的参考标准，可用于CO中毒的诊断、戒烟检控、气道炎症评估，但因呼气CO有多种来源，其作为气道炎症标记物的临床价值不如NO。

3.3 H2O2呼气中的H2O2主要来自气道巨噬细胞和炎性粒细胞，只要这些细胞被激活和浸润，呼气H2O2理应升高。与NO一样，几乎所有肺部疾病呼气H2O2变化都有研究，支气管哮喘和慢性阻塞性肺病的报道尤多，但目前文献报道主要是利用呼气冷凝标本完成[13]。

3.4 烃类 呼气烃类有环境摄入和内源产生两大来源，内源性既可源于细菌代谢也可来自细胞代谢，其中乙烷和戊烷的应用研究较为广泛，其主要反映氧化应激中的脂质过氧化。而氧化应激和脂质过氧化在各种急慢性肺部炎症的发生发展过程中起着重要作用，因此支气管哮喘、慢阻肺、囊性纤维化、支气管扩张症、间质性肺炎、重症监护机械通气病人并发肺炎等肺部炎症患者的呼气中，乙烷、戊烷浓度都有不同程度的增高[14]。其次吸烟者呼气乙烷、戊烷明显增加，可能与氧化应激有关，也可能是烟草烃类含量过高所致。而与慢性肺病患者及吸烟者不同的是，肺癌患者呼气戊烷有所降低，这有望成为肺癌早期诊断的新方法[15]。异戊二烯在氧化应激及脂质过氧化时浓度变化不大，但在急性呼吸窘迫综合征(ARDS)病人中却会下降，这也可能与ARDS病人心率和呼吸明显加速有关。机械通气病人并发肺炎时戊烷升高而异戊二烯下降，因此可提示戊烷与异戊二烯比值有助于监测重症病人感染的发生[16-20]。

3.5 应用于呼气冷凝液的各种生物分子 除了上述的NO、过氧化氢外，脂质炎症介质、细胞因子、脂质过氧化物、血管活性胺等生物分子均可应用于呼气冷凝液试验，其成分的测定可以反映哮喘、慢性阻塞性肺病、急性呼吸窘迫综合征、肺间质疾病等肺内及气道内氧化应激状态、炎症状态的变化及程度，临床应用前景乐观[21]。此外，目前有报道在部分肺癌病人呼气冷凝液中检出p53基因，提示肺癌基因诊断的可能性，也另有学者尝试PCR检测肺结核病人呼气冷凝结核杆菌、铜绿假单胞菌基因，但结果阴性。但基因和微生物基因的研究仍需要更多的实验观察[22]。

4 小结

目前能用应于临床诊治过程的呼气试验项目还为数不多，因为并非所有能够引起呼气成分变化的体内生理病理过程都适合运用呼气试验加以分析，呼气试验应当针对那些干扰因素少的或干扰因素能控制的步骤实施，但从这些已应用的项目效果来看，呼气试验无疑有着光明的前景。对于呼吸系统疾病的诊断而言，肺部的生化诊断长期滞后于机体其他器官，多数血液生化指标缺乏对肺的特异性，尽管肺泡灌洗液的检验和诱导排痰取样检验使得肺部的生化诊断有了大的突破，但大多数患者无法接受这类侵入性的检查。因此呼气试验技术的出现无疑为肺部的检验提供了便利条件。随着众多学者的参与、基础与临床等多学科的联合研究，呼气试验将最终成为临床不可或缺的检验手段，呼气试验在肺癌、肺部细菌感染、真菌感染等疾病的诊断价值将会成为未来的研究热点。

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