呼出气检测在肺癌诊断上的应用现状和展望

叶剑飞　白宏宇　王圆等

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产生与肺癌之間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O'Neill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。