无创呼气检测在结直肠癌筛查中的研究进展*

李小雯 郑松柏复旦大学附属华东医院消化内科(200040)

结直肠癌(colorectal cancer, CRC)是全球第三大最常见的肿瘤，也是导致肿瘤相关死亡的第四大原因[1]。早期CRC的5年生存率可达90%，但仅40%的患者发现时处于早期，进展期CRC的生存率明显降低。由于CRC通常由良性息肉等局灶性病变发展而来，涉及一系列遗传、组织学和形态学变化，因而具有可识别的癌前病变，故筛查是在人群水平上减少恶性肿瘤负担的有效方法，可降低CRC相关的发病率和死亡率[2-3]。

一、目前常用的CRC筛查方法

目前临床有效的CRC筛查策略包括粪便隐血试验(FOBT)、结肠镜、癌胚抗原(CEA)和影像学检查。结肠镜是诊断CRC的金标准，但其为一种有创性检查，相关风险包括出血、穿孔等，且大规模应用容易造成资源浪费。FOBT是最常见的筛查方法，但特异性和敏感性均较低。结肠CT检查对小的、平坦的和(或)锯齿状病变的敏感性较低，且患者暴露于电离辐射，成本较高。目前基于外周血的肿瘤标志物筛选试验在临床上得到普遍应用。一项meta分析纳入了156项研究对CEA、CA19-9和CA125诊断CRC的敏感性和特异性进行评估，结果显示CEA的诊断效能优于CA19-9和CA125，但其整体敏感性仅为53%，特异性86%[4]。因此，CEA并非是理想的诊断肿瘤的标志物。

二、挥发性有机化合物(VOCs)在CRC筛查中的应用

VOCs是一种以气态碳为基础的新陈代谢物质，存在于尿液、粪便和其他体液中，因操作简单、成本低廉而可能成为一种潜在的筛查早期恶性肿瘤的手段。VOCs的特征可反映健康状况，甚至对CRC具有特异性。与FOBT相比，VOCs的依从性和敏感性更高，适用于大规模人群的CRC筛查。

CRC相关的VOCs可从患者的血液、尿液、粪便和呼气中提取。Kim等[5]使用固相微萃取-气相色谱-质谱(SPME-GC-MS)检测30例CRC患者血浆样本，结果显示CRC患者5种VOCs与对照组相比有明显差异。Westenbrink等[6]发现尿液中VOCs对CRC的敏感性为78%，特异性为79%。Bond等[7]分析了137例受试者的粪便VOCs，结果显示联合3种VOCs鉴别CRC的AUC为0.73。

三、呼气中VOCs在CRC筛查中的应用

目前，国内外关于CRC患者呼气中VOCs的研究相对较少，且结果特异性差异较明显。Peng等[8]采用基于有机功能化金纳米颗粒(GNPs)定制的14纳米传感器阵列和SPME-GC-MS对26例CRC患者和22名健康对照者的呼吸样本进行分析，结果显示GNPs对CRC患者具有较高的鉴别能力，而GC-MS识别CRC患者的敏感性约30%。Altomare等[9]使用GC-MS技术确定了CRC患者呼吸中可作为潜在生物学标志物的15个VOCs，包括醛类、烷类和其他VOCs，其敏感性为86%，特异性为83%，准确性达85%。Wang等[10]利用SPME-GC-MS发现CRC患者7种VOCs水平显著高于健康人。Amal等[11]应用GC-MS识别CRC患者和对照组中4种VOCs(分别为丙酮、乙酸乙酯、乙醇和4-甲基辛烷)，并利用传感器进行分析，结果显示鉴别CRC的敏感性为85%，特异性为94%，准确性为91%。一项前瞻性队列研究[12]利用选择性粒子流质谱仪分析CRC患者呼气中VOCs丙醛诊断CRC的效能，结果显示敏感性为83.3%，特异性为84.7%。一项采用电子鼻技术检测CRC的大样本多中心研究[13]显示，呼气VOCs可作为检测CRC和进展期腺瘤的非侵入性生物学标志物，鉴别CRC的敏感性为95%，特异性为64%，进展期腺瘤的敏感性为79%，特异性为59%。

De Vietro等[14]发现CRC肿瘤组织和正常结肠黏膜产生相似的VOCs模式，但指纹不同；苯甲醛、苯乙基和吲哚在癌组织中的浓度与正常结肠黏膜相比差异有统计学意义。Wang等[15]对SW620结直肠癌细胞和荷瘤小鼠中的VOCs进行测定，结果显示包括丙酮在内的8种物质的浓度随肿瘤生长而增加。与其他组别相比，SW620癌细胞组中9种物质显著升高。

上述研究结果未发现CRC中共同变化的VOCs，可能是由于样本量较小且研究利用的分析平台或实验程序不同所致，但最常见的化学类代谢物为烷烃、醛类或酮类VOCs。后期仍需行进一步的大样本临床试验来验证结果的一致性。

四、呼气中VOCs分子与CRC相关性机制

呼气中VOCs的检测是基于以下假设：病理过程的发生是由于癌细胞产生新的VOCs或浓度差异所导致的[16]。在癌症初期，癌细胞创造的酸性环境使基底膜破裂，VOCs进入血流。同时，酸性环境保护癌细胞不受免疫系统的影响而促进肿瘤生长。肿瘤生长伴随着基因改变，导致特定的VOCs分泌入血，可检测特定的癌症。据推测，VOCs首先从癌细胞释放至血液，经血液循环到达肺泡，最后随着呼吸呼出[16]。

目前关于VOCs筛查CRC的研究均处于起步阶段。既往研究发现了超过十种VOCs与CRC具有相关性。Altomare等[17]发现CRC患者在切除肿瘤后，呼气中VOCs类型发生改变，证实肿瘤代谢与呼气中VOCs密切相关，但具体代谢机制目前尚未完全清楚，需行进一步研究来证实。

越来越多的研究显示多种肿瘤均可产生VOCs，因此对诊断CRC的特异性存在一定争议。Bel’skaya等[18]对唾液VOCs诊断胃癌和CRC的潜能进行分析，结果显示唾液VOCs诊断癌症的敏感性和特异性分别为95.7%和90.9%。联合检测甲醇诊断胃癌和CRC的敏感性分别为80.0%和92.3%，特异性均为100%。因此，对于肿瘤部位特异性的诊断可结合其他特异性VOCs，并可进一步研究利用同位素示踪以寻找CRC代谢相关的特异性VOCs分子。

五、VOCs分析平台和相关技术

1. GC-MS：GC-MS是离线检测人体呼气的经典方法，可结合标准品的色谱分离时间和特征离子碎片对未知化合物进行准确的定性。多项研究[8-11]采用GC-MS检测呼气中VOCs，具有敏感性高、稳定性良好、能准确定性定量的优点。通过提供样本组成的定性和定量信息，该分析技术可识别CRC患者的代谢特征。

但GC-MS的成本高、可管理性差，尤其是处理原始样品的耗时较长，限制了其在常规大规模筛选中的应用。SPME是基于采用涂有固定相的熔融石英纤维来吸附、富集样品中的待测物质，集萃取、浓缩、解析、进样于一体，操作简便，功能多样，萃取快捷且可在线和活体取样，与GC-MS联用大大缩短了样品分析时间。三项研究[5,8,11]采用了SPME技术。

2. 选择离子流动管质谱仪(SIFT-MS)：SIFT-MS是一种定量质谱技术，可实时测量潮湿空气样品中痕量气体分子的浓度。SIFT-MS使用超软、控制的化学电离反应配上优良的质谱技术，可快速定量分析浓度低至ppb级别的VOCs，相较于传统GC-MS可快速获取结果，敏感性更高。Markar等[12]的研究采用该技术。

3. 基于人工智能传感器的电子鼻技术：随着电子技术的发展，基于阵列传感器和人工智能处理算法的电子鼻系统逐步用于医疗诊断中，通过对人呼气中生物学标志物的检测，可对身体健康状况进行判断，具有客观性强、无创伤、操作简单快捷、成本低等优点，有利于无创诊断技术的推广和应用。由多个具有交叉灵敏特性的气体传感器组成的传感器阵列并结合机器学习算法形成的人工嗅觉系统，可对复杂气体中的成分进行定性或定量分析，但该技术需要大量气体样品对传感器阵列进行标定，且为了获得较高的检测精度需依赖后台运行和特定服务器的高性能人工智能算法，人工智能算法的基础仍是样本量足够、可靠性高的训练数据集合。多项研究[8,10,13]采用了电子鼻技术，能在VOCs化学类存在的情况下产生电流响应，给出定性的非特异性响应。与人类的嗅觉相同，电子鼻能探测到不同化学类别的混合物，如烷烃、醇类和芳香族化合物。与GC-MS相比，电子鼻技术执行更快、更简便，并可使用模式识别来识别特定的状态。

六、讨论与展望

CRC患者存在相关的代谢组学紊乱，VOCs分析可作为癌症指纹检测，具有良好的可靠性，敏感性为30%～94%，特异性60%～94%。虽然各研究得出的结果不尽相同，但多项研究仍提示某些烷烃、醛类或酮类VOCs具有较好的鉴定能力。未来需行进一步的大样本临床试验和更深入的代谢机制研究寻找更特异的诊断CRC的VOCs。

目前电子鼻有望作为一种更快、更可靠的癌症筛查工具，但并不能识别任何特定的CRC生物学标志物。将GC-MS分析和电子鼻技术结合起来，建立一个配备传感器的专用电子鼻，能检测特定化合物或类VOCs。

最后关于CRC筛选的代谢组学方法的争议是选择用于VOCs分析的生物样本类型。选择何种生物基质进行分析对提高患者对筛查方案的依从性至关重要。与尿液和呼气收集相比，血液收集是有创的。此外，尿液、粪便和血液需经过处理，在收集后的数小时内储存，然后解冻和加热，以获得可供分析的顶部空间。而呼气无需在分析前进行预处理，易于无创采集，成本低。目前VOCs分析CRC研究例数较少，不同的分析平台和使用的生物材料可能导致了不同的VOCs模式，这意味着不同研究的结果是不可比较的。应鼓励开展确定迄今未知的涉及CRC产生的VOCs分子及其相关机制的研究。