电子鼻在肠道疾病诊断中应用的研究进展

郭泽尚, 王 磊, 常志勇

（1.吉林大学第一医院结直肠肛门外科，吉林 长春 130021；2.吉林大学仿生工程教育部重点实验室，吉林 长春130022）

肠道疾病是我国的常见病和多发病，近年来肠道疾病发病率呈逐年上升趋势，严重威胁人民群众的健康，给家庭和社会带来沉重的负担。随着科技的发展，越来越多的诊断技术开始广泛应用于肠道疾病诊断领域，提高了人类的健康水平。肠道疾病具有多种传统诊断方法，如X 线气钡双重造影［1］、腹 部CT［2］和 电 子 结 肠 镜［3］等。应 用 传 统 检 测 方法诊断肠道疾病存在一定的局限性：首先，肠道疾病在我国属于常见高发疾病，需要进行大规模的普查与筛查才能初步进行诊断，传统检测方法需要大量精密仪器和高级技术人才，不适合在广大基层地区进行疾病的初步筛查；其次，多种肠道疾病属于慢性疾病，患者需要进行长时间的检查和治疗，并且需要定期复查治疗效果。传统检测方法价格较高，如患者反复进行肠道疾病的复查，会给患者带来沉重的经济负担，因此进行肠道疾病早期诊断的仪器必须具有价格低、操作简单和应用方便等特点，才能得到广泛应用。

挥 发 性 有 机 化 合 物 （volatile organic compounds，VOCs） 是一类广泛存在于多种人类代谢物（呼出气体、 粪便和尿液等） 中的物质。1971 年，PAULING 等［4］首 次 对 人 体 代 谢 物 中 的VOCs 进 行 分 析， 采 用 气 相 色 谱- 质 谱（gas chromatography mass spectrometry，GC-MS） 法证实：人体的呼出气体和尿液中约存在250 种VOCs。1989 年，WILLIAMS 等［5］证明了训练嗅探犬可以用于黑色素瘤的诊断，提示任何疾病均具有特征性的 “气味印记”。这一 “挥发性假说” 已经被其他利用嗅觉进行疾病诊断的研究［6］所证实。VOCs是细胞代谢的最终产物，可能是由于基因或蛋白质的改变而引起细胞膜的氧化应激或过氧化反应所产生。VOCs 可以反映炎症、坏死、癌症和微生物群改变等多种代谢变化，也与环境污染、药物及饮食等外部因素有关。 VOCs 在身体的代谢反应中产生，通过多种代谢途径被排出体外。代谢组学方法在检测和鉴别肺部疾病患者［7］、 内分泌疾病患者［8］和 感 染 患 者［9］方 面 具 有 较 高 的 可 靠 性。除 在上述疾病诊断中的应用， 多种人体代谢物中的VOCs 检测同样可以应用于肠道疾病的诊断。人的粪便中含有多种VOCs，粪便中的VOCs 由体内微生物的代谢和人体自身的代谢所产生，可以反映人体肠道微生物群的构成，粪便中VOCs 的种类和构成比的变化，与人体肠道疾病的发生发展过程有密切关联［10］。除检测粪便中的VOCs 以外，人体呼出气体中的VOCs 也可作为诊断部分肠道疾病的常用指标。人类对于呼出气体中产生的气味与疾病之间关系的研究可以追溯至4 世纪，医生根据以往经验，就可以通过特殊气味来诊断患者所患疾病［11］。人体呼出的气体中含有大量代谢活动所产生的VOCs，主要由3 种途径［12］产生：局部VOCs 直接沿呼吸道进入肺泡或气道腔中；外源性VOCs 主要通过皮肤被吸收；一些来源于人体内的代谢过程VOCs 溶解在血液中，随后排出循环，通过肺泡进入呼吸道。 肠道疾病过程可以造成呼出气体中VOCs 种类和构成比的变化，尿液中的VOCs 也可以对肠道疾病的早期诊断发挥关键的作用［13］。电子鼻作为一种新兴的VOCs 检测工具，是近年来通过VOCs 进行疾病诊断的研究热点。在电子鼻诊断肠道疾病的研究过程中，虽然相应研究团队［14］发表了采用电子鼻进行临床诊断的综述性文章，但关于电子鼻系统在肠道疾病诊断中的总结性研究十分有限。本文作者总结了电子鼻技术的发展及其在肠道疾病诊断中的应用，并展望了电子鼻在肠道疾病诊断应用中的发展趋势。

1 电子鼻系统的发展情况

电子鼻是在1982 年由英国沃里克大学的PERSAUD 等［15］提 出 的 一 种 可 以 模 仿 人 类 嗅 觉 系统的仪器。嗅觉系统可与其他器官，特别是大脑结合，形成嗅觉。具体过程为携带特定气味的分子通过鼻甲骨进入含有神经细胞的嗅上皮及其毛状终末、三叉神经终末和支持细胞［16］。气味分子被嗅上皮黏液吸收，扩散到嗅细胞的纤毛上，并与其表面的特定受体（可能是气味结合蛋白） 结合，从而使受体细胞去极化。同时一个电化学电位被激发并沿着轴突方向传导到嗅球，然后再传导至更高的大脑中枢，信号根据气味的特征和强度进行识别［17］。人脑能够记住由不同气味分子引起的不同电位/信号，从而赋予人类识别气味的能力。受嗅觉系统的启发，将化学传感器阵列与识别技术模式相结合的人工装置（通常称为电子鼻） 可作为一种性价比极高 的化学探测器。GARDNER 等［18］将电子鼻定义为 “一种仪器，包括一系列具有特异性的传感器和适当的模式识别系统，能够识别简单或复杂的气味”。电子鼻系统主要由气味取样操作器、传感器阵列和信号处理系统3 个部分组成，其识别VOCs的主要原理是传感器阵列中的每个传感器对被测VOCs 混合物均有不同的灵敏度，当某种VOCs 混合物与特定传感器接触并发生反应，传感器将化学输入信号转换成电信号， 由多个传感器对一种VOCs 混合物的整体响应便构成了传感器阵列对该混合物的整体响应谱，而整个传感器阵列对不同VOCs 混合物的响应图谱不同，正是这种区别，使得电子鼻系统可以根据传感器阵列的响应图谱进行不同VOCs 混合物的识别。为实现对气味的定性或定量分析，必须将传感器的信号进行适当的预处理（消除噪声、特征提取和信号放大等） 后采用合适的模式识别分析方法对其进行更为准确的分析。电子鼻传感器的主要类型包括金属氧化物半导体（metal oxide semiconductor，MOS） 传感器［19］、石英晶体微天平（quartz crystal microbalance，QCM）传感器［20］、 场效应晶体管（field effect transistor，FET） 传 感 器［21］和 固 态 电 化 学（solid state electrochemical sensor，SSES） 传感器［22］等。

电子鼻技术具有响应时间短和检测速度快等特点，无需复杂的预处理过程，操作简单、方便，因而在许多领域中广泛应用，包括食品检测、环境监测和公共安全等。在食品检测中，DONG 等［23］采用由化学电阻传感器制成的电子鼻鉴别7 种咖啡豆，取 得 了 预 想 效 果；KODOGIANNI 等［24］采 用QCM 传感器进行肉类腐败的鉴别，也取得了成功。环 境 监 测 方 面，HERRERO 等［25］应 用 化 学 电 阻 传感器电子鼻对水中污染物进行了有效的检测区分。电子鼻在公共安全领域的应用主要集中在对爆炸物的检测与鉴别方面，ZHOU 等［26］采用化学电阻传感器阵列鉴别了爆炸物的种类，为反恐防爆检测提供了一种新的方法。在临床诊断中，电子鼻可以应用于多种人体疾病的检测，为疾病的早期诊断和治疗提供了帮助。

2 电子鼻在肠道疾病诊断中的应用

2.1电子鼻在结直肠癌（colorectal cancer，CRC）诊断中的应用CRC 是最常见的恶性肿瘤之一，在全球范围内所有恶性肿瘤中，CRC 患病率排名第3 位，死亡率排名第2 位［27］。早期发现和治疗是影响CRC 预后的关键因素，筛查是降低CRC 死亡率和经济负担的重要手段。结肠镜检查被认为是CRC 和肠道腺瘤筛查的金标准，而粪便免疫化学试验（fecal immunochemical test，FIT） 是目前最常用的非侵入性粪便筛查试验。FIT 诊断CRC 的敏感度为66%～88%，而诊断晚期腺瘤的敏感度仅为27%～41%。由于CRC 的预防应主要集中在早期发现和治疗，因此寻找更新的、更精确的非侵入性筛查方法仍然是非常重要的研究方向。全世界研究者已达成广泛共识， 在CRC 的检测中， VOCs模式改变被认为是一种潜在的筛查标志物。VOCs是由人体内的生化代谢过程产生的化学物质，可以通过呼出气体、尿液和粪便排出体外。电子鼻系统性价比高、检测速度快、使用方便，通过检测并分析VOCs，可 以 用 于CRC 的 诊 断。PENG 等［28］尝试通过电子鼻将CRC 与其他癌症进行区分，研究者从177 名年龄为20～75 岁的志愿者（肺癌、CRC、 乳腺癌和前列腺癌患者以及健康对照者）中采集呼出气体，志愿者的呼出气体由一系列基于有机功能化金纳米粒子的交叉反应纳米传感器阵列进行检测，结果表明：这种纳米传感器阵列不仅可以区分健康对照者和癌症患者，还可以将CRC 患者与其他癌症类型患者区分开。VAN DE GOOR等［29］收集CRC、头颈部鳞状细胞癌和膀胱癌患者的呼出气体，并对样本进行分析和比较的实验结果证明：Aeonose电子鼻装置可以将CRC与头颈部鳞状细胞癌和膀胱癌区分鉴别。WESTENBRINK 等［30］采用由13 个商用电化学和光学传感器组成的WOLF电子鼻，检测受试者尿液中的VOCs，随后从数据中提取特征并分析的结果显示： 电子鼻可以将CRC 患者与其他疾病患者相鉴别。除CRC 与其他癌症的鉴别，多个团队还对于癌前病变与CRC 以及健康对照者的鉴别进行了研究。DE MEIJ等［31］采用电子鼻技术区分CRC、晚期腺瘤和健康对照组研究对象，试验共包括157 名研究对象，包括40 例临床诊断为CRC 的患者，60 例诊断为晚期腺瘤的患者以及57 名健康对照者，采用Cyranose 320 电子鼻测量经过临床诊断的CRC 患者、晚期腺瘤患者和对照组健康者（结肠镜检查未发现异常） 的粪便，然后计算相应的CRC 和晚期腺瘤患者检测的敏感度和特异度的实验结果显示：CRC 患者粪便中的VOCs 明显有别于对照组；晚期腺瘤患者的VOCs与对照组也可以区分。PEN3 电子鼻的传感器阵列由10 个不同的热调节（200 ℃～500 ℃） MOS 传感器组成， 并对不同种类的化合物敏感。ALTOMARE 等［32］采 用PEN3 电 子 鼻 进 行 了 鉴 别CRC 与肠息肉的试验，将受试者分为3 组纳入研究，每组包含15 名受试者：CRC 组为CRC 患者，息肉组患者有至少1 个直径为1 cm 及以上的良性腺瘤性息肉，健康对照组由结肠镜检查阴性的患者组成；收集上述受试者的呼出气体，采用PEN3 电子鼻进行呼出气体的检测和分析的结果显示：PEN3电子鼻可以区分CRC、 肠息肉和健康对照者。VAN KEULEN 等［33］采 用Aeonose 电 子 鼻 同 样 精确地鉴别了CRC 与晚期肠道腺瘤患者。电子鼻在CRC 早期筛查中的应用研究也取得了相应进展，ZONTA 等［34-35］采 用 一 种 分 析 粪 便VOCs 的 新 型SCENT A1 电子鼻进行CRC 研究，该仪器为5 个化学电阻传感器阵列组成的装置，这些传感器一旦与特定的粪便VOCs 接触，就能够改变电阻，产生相应特征，可以用于检测低浓度CRC 生物标志物，使CRC 早期筛查成为可能。

2.2电子鼻在炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）诊断中的应用IBD 是一种慢性、复发性肠道炎症性疾病，包括溃疡性结肠炎和克罗恩病两种类型。IBD 通常发生于青少年，发病率在过去几十年中有所升高，而发病年龄呈下降趋势。迄今为止，无论是最初的诊断，还是后续的疾病活动过程中，IBD 的内镜检查仍然是必要的，但是内镜检查作为一种侵入性检查给患者带来了较大负担，因为内镜检查是在全身麻醉下进行，并且在进行检查前通常需要通过鼻胃管进行强化性肠道准备。因此有必要寻找新的、非侵入性的生物标志物进行IBD 诊 断［36］。 ARASARADNAM 等［37］发 现：IBD 的发病机制涉及细菌的作用，这些细菌通过在肠道中发酵尚未经过发酵的多糖， 产生特有的VOCs， 而这些特征可以通过尿液进行检测。ARASARADNAM 等［38］招 募48 例IBD 患 者（24 例克罗恩病患者和24 例溃疡性结肠炎患者）和14 名健康对照者，记录研究对象相应疾病的活动，并采集其尿液样本，采用Fox 4000 电子鼻分析尿液中的VOCs，将实验获得的电子鼻数据进行分析的结果显示：电子鼻可以准确区分IBD 患者与健康对照者。近年来，以呼出气体的VOCs 作为非侵入性标志物进行IBD 诊断的应用增多。VOCs 大多数为正常代谢活动的产物，在某些情况下，其是与疾病相关的特定生物标志物的混合物。与IBD 相关的VOCs 是由与疾病发生过程相关的生物代谢过程所产生，最初生成于肠道，随即扩散到血液中并进入肺泡， 最终通过呼出气体被排出体外。TIELE 等［39］应 用WOLF 电 子 鼻 进 行 了IBD 检 测，通过电子鼻检测39 名受试者（14 例克罗恩病患者、19 例溃疡性结肠癌患者和6 名健康对照者） 的呼出气体，分析电子鼻产生的响应数据显示：WOLF电子鼻不仅可以对IBD 患者和健康对照者进行区分，还可以鉴别溃疡性结肠炎和克罗恩病。IBD 患者疾病的发生与大便产生的特征性气味具有同步性。粪便的气味是由VOCs 引起的，主要由肠道微生物群产生，因此推断VOCs 可以作为检测IBD 的非侵入性生物标志物。到目前为止，IBD 患者粪便中VOCs 的分析只在有限数量的研究中进行，大多数研究均使用气象色谱质谱联用仪（gas chromatography and mass spectrometry， GC-MS）识别具体的VOCs。虽然上述研究均显示：粪便中的VOCs 可以作为IBD 无创检测的生物标志物，但由于GC-MS 是一种昂贵、耗时的技术，需要训练有素的技术人员进行操作，因此在临床实践中的应用受到阻碍。电子鼻技术允许科研人员在短时间内对整个粪便中的VOCs 响应谱进行相应分析。炎症性肠病分为疾病活动期和临床缓解期，快速确定患者所处分期对于后续治疗至关重要，DE MEIJ等［40］研究发现：可以应用电子鼻，在IBD 的活跃期和临床平稳期对溃疡性结肠炎患者、克罗恩病患者和健康对照者进行鉴别，采用Cyranose 320 电子鼻研究临床上新诊断为IBD的患儿和对照儿童的粪便，分析粪便中VOCs 的模式，通过计算进行相应VOCs 模式的识别。上述研究结果表明：在疾病活动期或者是临床缓解期，Cyranose 320 电子鼻均可区分溃疡性结肠炎患者、克罗恩病患者和健康对照者，在临床活动期和缓解期电子鼻均可以有效区分克罗恩病和溃疡性结肠炎。

2.3电子鼻在新生儿坏死性肠炎（neonatal necrotizing enteritis，NEC）诊断中的应用NEC 是一种急性肠道炎症性疾病，主要影响早产儿，在早产后出生的新生儿中， 约7% 发生NEC， 发生NEC 的新生儿中有33%～50% 需要进行手术治疗。患有NEC 的新生儿死亡率较高，是新生儿重症监护病房中新生儿死亡的主要原因。NEC 的发病时间与患儿的胎龄成反比，严重早产儿常在出生后第4 周发病，而在接近足月的新生儿中，疾病通常发生在出生后的第1 周。新生儿出生体质量越低，发生NEC 的风险就越大，因为极低出生体质量（＜1 000 g） 和低出生体质量（＜1 500 g） 的新生儿发病率高达10%， 而足月新生儿发病率较低。NEC 的确切病理生理学机制尚不清楚， 据推测：当肠缺血使得肠道暴露于感染性病原体或肠道屏障不成熟以及易感宿主中的致病微生物介导细胞因子或生长因子作用于肠道时可以引起NEC。 评估NEC 患者的传统诊断方法通常包括腹部前后位和腹部侧位片，但腹部影像学检查对NEC 的早期诊断价值较低。目前尚无已知的对NEC 有特异诊断作用的病原微生物，研究和分离能引起NEC 的特定细菌较困难，因此需要一种针对于早期NEC 诊断的特异性高的无创检查方法［41］。由于粪便中的VOCs 被认为是反映肠道微生物群组成、同时也是代谢活性和微生物群与宿主相互作用的指标，因此其作为NEC 早期诊断的生物标志物具有很大的潜 力。 DE MEIJ 等［42］采用电子鼻进行了关于早产儿NEC 早期诊断的研究，在新生儿重症监护室收集早产儿从出生到产后第28 天的粪便，受试者根据后期临床诊断被分为NEC 组、继发性败血症组和对照组。分析比较设置有3 个时间段：①临床确诊前4～5 d；②临床确诊前2～3 d；③临床确诊前1 d 和确诊当天。采用Cyranose 320 电子鼻对3 组样本进行分析的结果显示：在临床诊断前的2～3 d，患有NEC 的新生儿粪便中的VOCs 的模式特征与对照组有明显差异；在诊断前1 d 和诊断当天，关于NEC 和对照组的鉴别诊断更为准确，采用电子鼻进行VOCs 分析有可能成为早期预测NEC 的无创 检 测 手 段。BERKHOUT 等［43］对 于 能 否 应 用 电子鼻进行NEC 引发的继发性败血症的早期诊断进行了研究，研究者每天采集胎龄小于30 周的早产儿的粪便样本，采用Cyranose 320 电子鼻分析临床诊断确定前5 d 患有继发性败血症的早产儿粪便样本的VOCs 的特征，并与对照组进行比较的结果显示：临床诊断前3 d 患有继发性败血症的早产新生儿的粪便VOCs 的特征均可与对照组进行区分。

3 总结和展望

电子鼻装置作为一种新兴技术，具有许多传统临床诊断方式所不具备的优点，比如操作简单、节省诊断时间、价格低廉和对人体无创伤等。将电子鼻系统应用于广大基层医疗单位和社区卫生中心，可以在基层水平进行多种肠道疾病的大规模筛查，大幅度提高基层诊断能力。大型医院可以应用电子鼻系统进行必要肠道疾病的快速诊断并迅速给予相应治疗，以免贻误和加重病情。本文作者总结了电子鼻系统应用于多种肠道疾病的诊断研究结果表明：电子鼻系统鉴别诊断相关疾病的准确率较高。尽管电子鼻系统在肠道疾病的鉴别诊断中具有上述优点，但是在将电子鼻系统应用于临床实践的过程中，仍然有一些缺点需要进行改进。首先，电子鼻系统是对多种VOCs 组成的混合物的响应谱进行区分与鉴别，与GC-MS 等技术比较，电子鼻不能精确测量VOCs 中成分的具体种类和构成比。如果应用于肠道疾病诊断中，电子鼻系统仍需改进诊断的精准程度，以做到临床诊断中不误诊、不漏诊；其次，关于电子鼻系统分析所需样本采集的操作步骤尚未有统一的相关规则，如不按照统一规则，则会给之后的分析鉴别带来困难，影响电子鼻诊断的效果。在未来大规模应用于临床领域诊断前，相应规范要紧随电子鼻系统的发展而完善。在科技飞速发展的今天，将仿生学仪器应用于肠道疾病诊断有很大的应用前景，随着电子鼻系统的不断完善和进步，电子鼻系统将广泛应用于肠道疾病诊断领域。