呼出气体分子与慢性阻塞性肺疾病

郑 岩，汪 俊，李秋根

1江西省人民医院呼吸内科，南昌 330006 2南昌大学 研究生院医学部，南昌 330006

·综述·

呼出气体分子与慢性阻塞性肺疾病

郑 岩1，2，汪 俊1，李秋根1

1江西省人民医院呼吸内科，南昌 3300062南昌大学 研究生院医学部，南昌 330006

慢性气道炎症是慢性阻塞性肺疾病(COPD)的主要病理过程，气道炎症可导致炎症细胞及气道细胞产生具有生物活性的气体分子，其在COPD的病理进程中发挥重要作用，同时也是COPD诊断和治疗的有效判断指标。本文主要综述呼出气体分子在COPD诊断和治疗过程中的作用，旨在为COPD的防治提供新的策略。

慢性阻塞性肺疾病；慢性气道炎症；呼出气体分子

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一种具有气流阻塞特征的慢性支气管炎和肺气肿[1]。COPD诊断主要依赖于慢性咳嗽、呼吸困难、和/或咳痰等症状和肺功能指标，如1秒用力呼气量(forced expiratory volume in first second，FEV1)及FEV1/用力肺活量(forced vital capacity，FVC)测定。但临床对于单纯COPD与COPD合并有其他肺部疾病的鉴别诊断及有效治疗仍存在一定困难。生物体内的细胞能够通过酶促反应生成气体分子，并通过自由扩散方式出入细胞膜，参与细胞内和细胞间的信号转导过程，因此也将这些气体分子称为气体型信号分子[2]。这些具有生物活性的气体分子参与疾病的发生和发展，其中一些气体分子在COPD病理过程的发展中发挥重要作用。

呼出气一氧化氮与COPD

慢性气道炎症是COPD病理过程的重要特征，目前对于COPD患者气道炎症水平无法通过肺功能和临床症状进行系统性评估。一氧化氮(nitric oxide，NO)是一种具有生物活性的气体信号分子，主要由气道、血管上皮细胞产生，在不同病理过程中展现了多样的生物功能[3- 4]。当气道出现炎症时，炎症因子或炎症介质刺激气道上皮细胞和炎症细胞产生NO增多[5]。气道内产生的NO可反映气道炎症状态，因此呼出气NO作为气道炎性指标在哮喘和COPD的鉴别诊断及治疗中得到了广泛应用[6]。

体内NO产生过程是复杂且有序的酶促反应，由L-精氨酸和氧分子在一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)催化下生成[7]。NOS有3种亚型：神经源型(neuronal nitric oxide synthase，nNOS)、内皮型(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)以及诱导型(inducible nitric oxide synthase，iNOS)，nNOS和eNOS统称为原生型NOS，其表达主要依赖于细胞内钙离子浓度调控，不同NO的生成量即反映钙离子在神经传递和平滑肌收缩过程的作用；iNOS仅在炎症状态下被炎症因子或脂多糖诱导表达，促进NO的产生[8]。正常肺组织血管内皮细胞eNOS呈高度表达，而吸烟和脂多糖诱导的COPD大鼠模型肺组织eNOS表达明显降低，iNOS表达增强[9]。体内研究表明，COPD患者nNOS表达及活化增多与气道上皮细胞炎症反应有关[10]，而患者气道和肺泡上皮细胞、巨噬细胞内iNOS呈表达增多[11]。这表明NO参与COPD气道炎症过程，且主要与iNOS和nNOS的表达量增多有关。

大量研究表明，COPD可分为中性粒细胞亚型和嗜酸粒细胞亚型；后者常见于急性加重期患者[12]。嗜酸性粒细胞可直接上调iNOS的表达或间接上调其他NOS的水平促进气道NO的产生[13]，因此呼出气NO分数(fraction of exhaled nitric oxide，FeNO)作为嗜酸性粒细胞炎症的预测指标，早就用于哮喘的诊断和疗效观察以及慢性咳嗽的病因诊断。根据2011年美国胸科协会指南推荐，将成人FeNO分为高水平(FeNO>50 ppb)、中水平(25 ppb≤FeNO≤50 ppb)、低水平(<25 ppb)；并且建议FeNO高水平伴呼吸道症状患者应予以激素治疗[14]。FeNO是嗜酸性粒细胞炎症的标志物，且研究表明激素可明显促进嗜酸性粒细胞的凋亡[15]。陈洁和李秀[16]通过观察COPD急性加重患者FeNO>50 ppb(激素治疗/非激素治疗)与FeNO<25 ppb(激素治疗/非激素治疗)显示，FeNO>50 ppb激素治疗组气道炎症及症状改善明显优于非激素治疗组，FeNO<25 ppb激素治疗效果并不显著。因此可依据FeNO检测指导COPD急性加重患者的激素治疗。

肺功能和临床症状评估COPD严重程度并不全面，患者肺功能测试操作不当以及临床症状不明显是造成假阴性的重要原因，无法直接反映COPD患者的气道炎症水平。通过观察COPD不同时期患者发现，COPD稳定期患者FeNO轻度升高，且与FEV1/FVC呈负相关；急性加重期COPD患者FeNO显著升高，两者比较差异有统计学意义(P<0.01)[17]。COPD是常见的慢性气道炎症疾病，临床上常需与其他慢性气道炎症疾病进行鉴别。史菲[18]观察FeNO值和肺通气功能指标在COPD、哮喘、哮喘-COPD重叠综合征(asthma-COPD overlap syndrome，ACOS)差异显示，ACOS组和哮喘组患者的FeNO值均显著高于COPD组，ACOS组和COPD组的肺通气功能则显著低于哮喘组。因此FeNO与肺通气功能联合有助于ACOS、COPD与哮喘之间的鉴别诊断；对于FeNO显著升高的老年COPD患者提示有ACOS可能，可予以激素治疗降低气道炎症。

呼出气一氧化碳与COPD

体内一氧化碳(carbon monoxide，CO)主要由血红素在血红素氧合酶(heme oxygenase，HO)催化下生成，并可通过呼出气检测[19]。HO有3种同工酶：HO- 1、HO- 2和HO- 3；三者均可分解血红素生成CO，但仅HO- 1为诱导型，可被缺氧和氧化应激等因素诱导产生[20]。体内CO在生理适当浓度下被认为是调节血管功能和细胞稳态的潜在信号调节分子，然而一旦达到毒性浓度，CO与血红蛋白结合导致组织氧扩散下降，造成组织缺氧损伤[21]。呼出气CO分数(fraction of exhaled carbon monoxide，FeCO)早就作为临床评估呼吸疾病状态的重要指标，而且也可以作为哮喘、COPD等慢性气道炎症疾病的炎症预测因子[22]。Hanta等[23]研究COPD稳定期患者与健康人群FeCO水平差异显示，COPD患者FeCO明显高于健康人群水平，但FeCO水平与肺功能指标FEV1无相关性。研究显示吸烟的COPD患者FeCO水平、血红蛋白-CO浓度较未吸烟COPD患者高，吸烟的COPD患者与吸烟的健康者比较也明显升高，且COPD急性加重患者呼出气中CO含量也明显高于稳定期患者，可能因为炎症介质促进HO- 1表达增多，导致FeCO水平增高[24- 25]。综上，COPD患者会出现FeNO水平升高，且与COPD严重程度存在相关性，因此，测定呼出气中CO水平可作为评估COPD患者气道炎症的标志物和临床分期的诊断依据。

呼出气硫化氢和COPD

体内硫化氢(hydrogen sulfide，H2S)主要由L-半胱氨酸或 β-巯基丙酮酸在胞浆和线粒体中多种酶作用下生成[26]。研究表明内源性H2S参与COPD的气流受限过程，其水平改变与疾病严重程度相关，被用于监测疾病严重程度及其活动度[27- 28]。Chen等[29]研究健康人群与COPD不同时期呼出气H2S水平比较显示，相较于健康人群[(11.00±2.62) ppb]，COPD稳定期患者[(8.73±2.57)ppb]降低20.63%，急性加重期患者降低37.81%[(6.84±2.39)ppb]，且COPD急性加重期患者呼出气H2S水平低于稳定期患者，表明COPD气流受限会下调H2S水平，而且当患者症状、炎症反应加重进入急性加重期时，H2S的抑制炎症反应作用会受到一定的限制，表现为呼出气H2S水平下降。有研究提示COPD患者中吸烟者呼出气H2S水平低于未吸烟者患者以及健康未吸烟者，不同炎症细胞类型COPD患者中，嗜酸性粒细胞型呼出气H2S水平明显低于中性粒细胞型，呼出气H2S水平降低提示嗜酸性粒细胞型，可适当予以激素治疗改善预后[30- 31]。这意味着呼出气H2S可以作为一种无创指标在监测COPD严重程度以及COPD炎症细胞分类中发挥一定的作用。

其他气体分子与COPD

呼出气二氧化碳与COPDCOPD患者因气流受限和长期的肺部炎症导致肺气体交换功能下降，血气分析是临床常用的肺气体交换的监测指标，因其属于有创操作，存在一定危险性和无法实时床边监测。因此，呼出气CO2的检测已经被广泛应用于临床上的无创监测方法。研究显示正常人和无呼吸衰竭的COPD患者呼气末CO2分压(end-tidal partial pressure of carbon dioxide，PETCO2)测定与动脉血CO2分压值差异无统计学意义，但在合并Ⅱ型呼吸衰竭的COPD患者中，由于存在肺通气/血流比例失衡，PETCO2明显低于动脉血CO2分压[32]。因此对于此类患者建议采用改进的延长呼气法或调节吸入氧浓度使血氧饱和度在90%左右，可较准确测定PETCO2[33]。呼出气CO2(volumetric capnography，VCap) 容积曲线是通过测量分析呼出气CO2浓度与呼出气容量的比值评估肺换气功能。研究显示COPD患者Vcap曲线异常，且Ⅲ相斜率与疾病严重程度呈正相关[34]。因此，呼出气CO2可以作为评价COPD患者肺换气功能的检测指标，更有利于COPD的病情监测和临床治疗。

呼出气过氧化氢与COPD氧化应激是COPD的病理过程中极其重要的机制，过氧化氢(hydrogen peroxide，H2O2)是体内常见的活性氧簇家族成员之一，COPD患者H2O2主要来源于气道和肺内激活的巨噬细胞[35]。研究表明大量炎症介质会导致COPD患者体内氧化/抗氧化失衡，氧化应激增强，呼出气和血清中H2O2、超氧阴离子(O2)等活性氧簇增多[36]。通过检测COPD稳定期患者呼出气冷凝液H2O2水平显示，COPD患者(7.44±0.89) μmol/L明显高于正常健康人(3.42±0.66) μmol/L，同样，COPD急性加重期患者呼出气H2O2水平也明显高于正常健康人，且H2O2水平与慢性阻塞性肺病评估测试总分存在正相关关系[37- 38]。但目前尚无呼出气H2O2水平与COPD疾病严重程度的相关性研究，无法确定是否呼出气H2O2水平越高，COPD疾病越严重。因此可以进行COPD稳定期与急性加重期患者呼出气H2O2水平对比研究，证实H2O2水平与COPD疾病严重程度是否存在一定的相关性。如果呼出气H2O2水平反映COPD患者气道炎症程度，则可以作为COPD患者气道炎症反应的重要检测指标。

呼出气氢气与COPD人体内正常细胞代谢不会生成氢气(hydrogen，H2)，呼出气中的H2主要来源于肠道内细菌通过发酵代谢分解未吸收的碳水化合物[39]。因此，氢气呼出试验早已被应用于测定肠道吸收功能和小肠菌群的研究。研究表明肠道细菌产生的H2近20%吸收入血通过肺排除体外，而H2作为还原物质吸入可以清除肺内氧自由基，减少肺组织氧化应激损伤[40- 41]。COPD患者机体处于高氧化应激状态，吸收入血的H2是否会作为内源性的抗氧化应激物质与肺内氧自由基结合后清除，继而呼出气H2水平下降？且是否与疾病严重程度相关？因此氢气呼出试验作为COPD患者气道炎症程度的预测指标具有一定前景，但仍需大量的研究证实。

综上，慢性气道炎症是COPD发生、发展的重要病理过程，而目前肺功能检测对于COPD患者气道炎症的严重程度评估以及与其他气道炎症性疾病鉴别作用甚微。然而呼出气中的多种气体可以直接反映气道炎症水平，呼出气体浓度测定对慢性气道炎症进行评估目前已经被广泛应用于COPD诊疗过程中，此无创性检测值得推广应用。

[1] Agusti A，Gea J，Faner R. Biomarkers，the control panel and personalized COPD medicine[J]. Respirology，2016，21(1)：24- 33. doi：10.1111/resp.12585.

[2] Kajimura M，Fukuda R，Bateman RM，et al. Interactions of multiple gas-transducing systems：hallmarks and uncertainties of CO，NO，and H2S gas biology[J]. Antioxid Redox Signal，2010，13(2)：157- 192.

[3] Pansiot J，Loron g，Olivier P，et al. Neuroprotective effect of inhaled nitric oxide on excitotoxic-induced brain damage in neonatal rat[J]. Plos One，2009，5(6)：e10916.

[4] Peers C，Bauer CC，Boyle JP，et al. Modulation of ion channels by hydrogen sulfide[J]. Antioxid Redox Signal，2012，17(1)：95- 105.

[5] Cutruzzolà F，Frankenbergdinkel N. Origin and impact of nitric oxide in pseudomonas aeruginosa biofilms[J]. J Bacteriol，2015，198(1)：55- 65.

[6] Haccuria A，Michils A，Michiels S，et al. Exhaled nitric oxide：abiomarker integrating both lung function and airway inflammation changes[J]. J Allergy Clin Immunol，2014，134(3)：554- 549.

[7] Barnes PJ，Dweik RA，Gelb AF，et al. Exhaled nitric oxide in pulmonary diseases：a comprehensive review[J]. Chest，2010，138(3)：682- 692.

[8] Donnelly LE，Barnes PJ. Expression and regulation of inducible nitric oxide synthase from human primary airway epithelial cells[J]. Am J Respir Cell Mol Biol，2002，26(1)：144- 151.

[9] Aminuddin F，Hackett TL，Stefanowicz D，et al. Nitric oxide synthase polymorphisms，gene expression and lung function in chronic obstructive pulmonary disease[J]. BMC Pulm Med，2013，13(1)：64- 73.

[10] Brindicci C，Kharitonov SA，Ito M，et al. Nitric oxide synthase isoenzyme expression and activity in peripheral lung tissue of patients with chronic obstructive pulmonary disease[J]. Am J Respir Crit Care Med，2010，181(1)：21- 30.

[11] Seimetz M，Parajuli N，Pichl A，et al. Inducible NOS inhibition reverses tobacco-smoke-induced emphysema and pulmonary hypertension in mice [J]. Cell，2011，147(2)：293- 305.

[12] Martinez FJ，Erbdownward JR，Huffnagle GB. Significance of the microbiome in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Ann Am Thorac Soc，2013，10(Supplement)：170- 179.

[13] Chou KT，Su KC，Huang SF，et al. Exhaled nitric oxide predicts eosinophilic airway inflammation in COPD[J]. Lung，2014，192(4)：499- 504.

[14] Dweik RA，Boggs PB，Erzurum SC，et al. An official ATS clinical practice guideline：interpretation of exhaled nitric oxide levels (FeNO) for clinical applications[J]. Am J Respir Crit Care Med，2011，184(5)：602- 615.

[15] Silkoff PE. Exhaled nitric oxide and asthma[J]. N Engl J Med，2005，353(7)：732- 733.

[16] 陈洁，李秀. 呼出气一氧化氮测定在AECOPD患者中的意义[J]. 安徽医科大学，2016，51(8)：1200- 1203.

[17] Babu KS，Kastelik JA，Morjaria JB. Inhaled corticosteroids in chronic obstructive pulmonary disease：a pro-con perspective[J]. Br J Clin Pharmacol，2014，78(2)：282- 300.

[18] 史菲. 呼出气一氧化氮对哮喘-COPD重叠综合征的诊疗价值[J]. 中华急诊医学杂志，2015，24(6)：634- 638.

[19] Motterlini R，Otterbein LE. The therapeutic potential of carbon monoxide[J]. Nat Rev Drug Discov，2010，9(9)：728- 743.

[20] Gentile MA. Inhaled medical gases：more to breathe than oxygen[J]. Respir Care，2011，56(9)：1341- 1357.

[21] Peers C，Steele DS. Carbon monoxide：a vital signalling molecule and potent toxin in the myocardium[J]. J Mol Cell Cardiol，2012，52(2)：359- 365.

[22] Maga M，Janik MK，Wachsmann A，et al. Influence of air pollution on exhaled carbon monoxide levels in smokers and non-smokers: a prospective cross-sectional study[J]. Environ Res，2017，152：496- 502.

[23] Hanta I，Kocabas A，Olgunus O，et al. Does the expired-air carbon monoxide level reflect the severity of inflammation in COPD?[J]. Bratisl Lek Listy，2007，108(6)：255- 258.

[24] Mitchell C，Arif AA. The association between exhaled nitric oxide in exhaled breath condensate and chronic obstructive pulmonary disease[J]. Ann Epidemiol，2015，25(9)：715- 715.

[25] Rawy AM，Mansour AI. Fraction of exhaled nitric oxide measurement as a biomarker in asthma and COPD compared with local and systemic inflammatory markers[J]. Egypt J Chest Dis Tuberc，2015，64(1)：13- 20.

[26] Wang HJ，LI Y. Hydrogen sulfide and oxidative stress[J]. J Med Postgrad，2011，24(4)：433- 436.

[27] Olas B. Medical functions of hydrogen sulfide[J]. Adv Clin Chem，2016，74：195- 210.

[28] Brampton J，Aaronson PI. Role of hydrogen sulfide in systemic and pulmonary hypertension：cellular mechanisms and therapeutic implications[J]. Cardiovasc Hematol Agents Med Chem，2016，14(1)：4- 22.

[29] Chen YH，Yao WZ，Geng B，et al. Endogenous hydrogen sulfide in patients with COPD[J]. Chest，2005，128(5)：3205- 3211.

[30] Sun Y，Wang XM，Chen YH，et al. Exhaled hydrogen sulfide in patients with chronic obstructive pulmonary disease and its correlation with exhaled nitric oxide[J]. Chin Med J (Engl)，2013，126(17)：3240.

[31] Zhang J，Wang X，Chen Y，et al. Exhaled hydrogen sulfide predicts airway inflammation phenotype in COPD[J]. Respir Care，2015，60(2)：251- 258.

[32] Yousuf T，Brinton T，Kramer J，et al. Correlation between partial pressure of arterial carbon dioxide and end tidal carbon dioxide in patients with severe alcohol withdrawal[J]. Ochsner J，2015，15(4)：418- 422.

[33] Liu J，Chen RC，Zhong NS. Application of capnography and SpO2measurement in the evaluation of respiratory failure in patients with chronic obstryctive pulmonary disease[J]. J South Med Univ，2010，30(7)：1565- 1568.

[34] Qi GS，Gu WC，Yang WL，et al. The ability of volumetric capnography to distinguish between chronic obstructive pulmonary disease patients and normal subjects[J]. Lung，2014，192(5)：661- 668.

[35] Teng Y，Sun P，Zhang J，et al. Hydrogen peroxide in exhaled breath condensate in patients with asthma：a promising biomarker?[J]. Chest，2011，140(1)：108- 116.

[36] Lin JL，Thomas PS. Current perspectives of oxidative stress and its measurement in chronic obstructive pulmonary disease[J]. COPD，2010，7(4)：291- 306.

[37] Murata K，Fujimoto K，Kitaguchi Y，et al. Hydrogen peroxide content and pH of expired breath condensate from patients with asthma and COPD[J]. COPD，2013，11(1)：81- 87.

[38] Vaguliene N，Zemaitis M，Lavinskiene S，et al. Local and systemic neutrophilic inflammation in patients with lung cancer and chronic obstructive pulmonary disease[J]. BMC Immunol，2013，14(1)：36- 46.

[39] Wang Y，Xiong L，Gong X，et al. Small intestinal bacterial overgrowth as an uncommon cause of false positive lactose hydrogen breath test among patients with diarrhea-predominant irritable bowel syndrome in Asia[J]. J Gastroenterol Hepatol，2015，30(6)：995- 1000.

[40] Häussler U，Götz M. Hydrogen breath tests[J]. Dtsch Med Wochenschr，2016，141(4)：268- 270.

[41] Liu SL，Liu K，Sun Q，et al. Hydrogen therapy may be a novel and effective treatment for COPD[J]. Front Pharmacol，2011，2：19- 20.

ExhaledAirMoleculesandChronicObstructivePulmonaryDisease

ZHENG Yan1，2，WANG Jun1，LI Qiugen1

1Department of Respiratory Medicine，Jiangxi Province People’s Hospital，Nanchang 330006，China2Department of Medicine,Graduate School,Nanchang University,Nanchang 330006,China

LI Qiugen Tel：0791- 86895508，E-mail：liqiugen6787@126.com

Chronic airway inflammation，a main pathologic process of chronic obstructive pulmonary disease (COPD)，can trigger inflammation cells and airway structure cells to produce bioactive molecules，which play key roles in the pathogenesis of COPD and are also an efficient indicators for the diagnosis and treatment of COPD. This article reviews the important roles of these exhaled air molecules in the diagnosis and treatment of COPD，with an attempt to offer new strategies in the management of COPD.

chronic obstructive pulmonary disease；chronic airway inflammation；exhaled air molecules

ActaAcadMedSin，2017,39(6)：841-845

国家自然科学基金(30960143)和江西省科技厅重大项目(20151BBB70267)Supported by the National Natural Sciences Foundation of China (30960143) and the Major Projects of Jiangxi Provincial Science and Technology Department (20151BBB70267)

李秋根 电话：0791- 86895508，电子邮件：liqiugen6787@126.com

R563.3

A

1000- 503X(2017)06- 0841- 05

10.3881/j.issn.1000- 503X.2017.06.018

2017- 06- 30)