呼出气挥发性有机化合物分析在诊断某些传染性疾病中的作用▲

肖 江 朱成杰 商 艳，3 白 冲

(海军军医大学附属长海医院1 呼吸与危重症医学科，3 全科医学科，上海市 200433，电子邮箱：www.dycyd.com@163.com； 2 中国人民解放军94804部队卫生队，上海市 200434)

【提要】 人呼出气中含有多种挥发性有机化合物(VOCs)，反映机体的代谢状况，为多种疾病中提供了大量的病理生理信息。研究表明，VOCs与多种传染性疾病存在相关性，有望成为协助筛查、诊断以及治疗监测传染性疾病的生物标志物。故本文针对呼出气VOCs分析在诊断某些传染性疾病中的作用展开综述。

人呼出气主要由水蒸气和惰性气体组成，同时也含有多种挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOCs)[1]。呼出气VOCs主要来源于3个方面：外部环境(吸入或通过皮肤吸收)、人类自身以及微生物群落的新陈代谢[2-4]。基于呼出气的VOCs分析是一种可用于诊断多种疾病的新方法，具有快速、无风险和价格低廉等优点，其基本原理是：当机体出现某种疾病时，体内氧化应激、细胞色素p450、肝酶、糖类和脂质代谢等一种或多种生理过程发生改变，导致呼出气VOCs发生明显而直接的变化[5]。每种疾病都有其独特的VOCs[6]，因此，对这些VOCs的分离和检测可以用于多种疾病的早期筛查及诊断。既往关于VOCs的研究主要集中在慢性呼吸系统疾病，例如慢性阻塞性肺疾病[7-8]、支气管哮喘[9-10]、肺癌[11-13]等。然而，也有学者发现，呼出气VOCs也与多种传染性疾病有着密切的关联。本文就呼出气VOCs分析在诊断某些传染性疾病中的作用做一综述。

1 呼出气VOCs在诊断流行性感冒中的作用

流行性感冒(简称流感)是世界范围内最常见的病毒性疾病之一，由属于正黏病毒科的流感病毒引起，该病毒主要分为甲、乙和丙3种类型。其中，甲型流感病毒根据包膜上糖蛋白血凝素和神经氨酸酶的组合分为许多亚型，如H1N1或H3N2[14]。当两种亚型病毒同时感染一个细胞时，两种不同亚型病毒之间可能发生基因重组，新的亚型病毒就有了新的遗传和生物学特征。甲型流感病毒的自然宿主是人类、水禽和猪，这种重组也可能发生在人畜共患型之间[15]。这些因素都可影响甲型流感的诊断、治疗及预防。

由于流感病毒感染发生在呼吸道，在感染过程中从肺部呼出的VOCs可能会发生显著变化。有研究表明，感染甲型流感病毒的B淋巴母细胞释放的VOCs浓度会发生变化[15]，当人鼻腔内接种甲型流感病毒疫苗后，呼出气成分也会发生改变[16]。因此，对感染流感病毒的患者呼吸气进行VOCs分析可以提供额外的疾病早期信息。Aksenov等[15]在B淋巴母细胞分别感染3种亚型活流感病毒(H9N2、H6N2和H1N1)后测定细胞产生的VOCs，发现在释放的VOCs中酯类和其他含氧化合物含量尤为显著，可以作为检测甲型流感病毒的生物标志物。Traxler等[17]应用气相色谱-质谱技术对14只猪(对照组3只和甲型流感病毒感染组11只)的呼出气VOCs进行分析，发现有6种VOCs可能与甲型流的进展有关，包括乙醛、丙醛、乙酸丙酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯和1,1-二丙氧丙烷。基于上述研究的结果，呼出气VOCs分析具有大规模筛查甲型流感病毒的潜力，但仍需要进一步研究以建立相关生物标志物列表，并比较不同类型流感病毒感染后呼出气中生物标志物的差异，确定这些化合物的诊断价值。

2 呼出气VOCs在诊断肺结核中的作用

肺结核是一种通过空气传播的传染性疾病，其诊断与治疗仍然是当今全球公共卫生的一项重要难题，并且近年来多耐药结核病的发病率逐渐上升[18-19]，社会负担日益加重。目前肺结核的诊断主要依赖于痰涂片镜检或细菌培养，但在资源相对缺乏的地区，这些方法的应用受到限制[20]。与痰涂片镜检相比，半巢式全自动实时荧光定量PCR检测的灵敏度显著提高[18],然而由于样本采集具有侵入性且成本较高，这一新技术在相对贫穷或资源有限的国家中的普及受到限制[21]。

近年来，已有学者采用不同方法检测呼出气VOCs用于诊断肺结核。Phillips等[22]采用气相色谱-质谱技术分析了226例活动性肺结核患者的呼出气VOCs，发现VOCs中包含几种活动性肺结核的常见生物标志物，包括氧化应激产物(如烷烃和烷烃衍生物)以及结核分枝杆菌的挥发性代谢产物(如环己烷和苯衍生物)，这些生物标志物诊断活动性肺结核病患者的受试者工作特征曲线下面积为85%，敏感性为84%，特异性为64.7%。一项队列研究利用阵列式传感器的电子鼻系统(DiagNose,C-it BV)检测呼出气VOCs，结果表明其在区分健康对照组和肺结核患者方面的敏感性为93.5%，特异性为85.3%[23]。Zetola等[18]也使用类似的传感器阵列分析呼出气VOCs以区分肺结核患者和健康对照者，结果显示其诊断灵敏度达94.1% ，特异度达90.0%；此外，在治疗期间对肺结核病患者进行连续检测，发现患者的VOCs出现时间依赖性的信号变化。以上研究表明，呼出气VOCs分析在结核患者的诊断以及治疗期间病情监测具有一定的作用。

3 呼出气VOCs在诊断疟疾中的作用

疟疾是一种由疟原虫引起的急性传染性疾病。目前已知有5种疟原虫对人类具有传染性，以恶性疟原虫和间日疟原虫为主要类型[24]。疟疾的常见症状包括发热、头痛和畏寒，通常在患者感染后10～15 d出现，如果在24 h内得不到及时治疗，由感染恶性疟原虫所致的疟疾患者病情可迅速进展甚至死亡。在地方和国际供资机构、区域疟疾控制规划和世界卫生组织的积极推动下，过去15年中疟疾发病率和死亡率大幅下降，但消除疟疾仍然是当前许多国家的目标。控制疟疾需要准确、快速、可靠的诊断方法，快速诊断试验在疟疾的诊断中具有重要作用。快速诊断试验可以检测疟原虫释放到血液中的许多蛋白质，例如富含组氨酸的蛋白质2和乳酸脱氢酶，然而其对低水平疟原虫血症的疟原虫检测不够敏感[25]。因此，仍然需要寻找一种简单、廉价、快速、可靠的诊断疟疾的方法。

Berna等[26]收集了疟疾患者治疗期间的呼吸气样本分析VOCs，鉴定出9种化合物的浓度变化很大，包括二氧化碳、异戊二烯、丙酮、苯、环己酮以及4种硫醚[烯丙基甲硫醚、1-甲硫基丙烷、(Z)-1-甲硫基-1-丙烯和(E)-1-甲硫基-1-丙烯]，并且呼出气中硫醚的含量随着感染的加重而增加。此外，感染恶性疟原虫的患者呼吸气中硫醚的含量明显高于正常人，然而在感染间日疟原虫的患者中没有观察这种变化，因此，推测硫醚可能与恶性疟原虫独特的致病机制有关[26]。还有研究显示，在间日疟原虫、恶性疟原虫感染所致的疟疾患者呼出气中萜烯类化合物均显著增加，萜烯类化合物对间日疟原虫、恶性疟原虫所致疟疾的诊断准确率分别达91%、93.5%[27]。以上研究表明，多种呼出气VOCs都有可能成为筛查疟疾的生物标志物。

4 呼出气VOCs在诊断人棘球蚴病中的作用

人棘球蚴病是由棘球绦虫引起的一种传染性疾病，最常见的临床分型为肝囊型棘球蚴病(hepatic cystic echinococcosis，HCE)和肺泡性棘球蚴病(alveolar echinococcosis，AE)，人类可通过摄入污染水、食物，或与动物宿主(如狗和羊)的直接接触而感染棘球绦虫。人棘球蚴病在中国大部分地区流行，并在许多欧洲国家重新出现[28]，且大多数人棘球蚴病发生在资源缺乏地区，这导致该病的诊断既昂贵又困难。其中，AE型患者病情一般较重，90%的AE型患者如果不及时治疗会出现死亡，而HCE型患者死亡率较低，但如果治疗和护理不足，死亡率也可能会大幅上升[29]。

Welearegay等[30]纳入32例HCE患者和43例健康对照者，以及16例AE患者和8例健康对照者，使用气相色谱-质谱联用仪以及专门开发的电子系统对所有研究对象的呼出气进行分析，发现HCE患者呼出气中有2种VOCs的浓度高于对照者，包括13-二十二碳烯酸、1-十三(碳)烯，而AE患者呼吸气中有7种VOCs的浓度低于对照者，包括十六烷、十七烷、二十烷、11-(戊烷-3-基)二十一烷、三十四烷、 2-甲基二十八烷和三十一烷。这说明尽管这两种疾病都是由棘球绦虫引起的，但两者的发病机制以及它们在体内所引起的化学变化可能是完全不同的。基于上述研究结果，Welearegay等[30]研发了包含8个传感器阵列的电子鼻系统，并使用该系统对AE和HCE患者的呼吸气进行检测，结果表明该系统对AE、HCE的识别准确率分别为100%、92.9%。由此可见，呼出气VOCs分析具有早期诊断人类棘球蚴病和筛查密切接触人群的潜能。

5 小结和展望

2019年12月湖北省武汉市出现新型冠状病毒肺炎病例，随后这种疾病在全国和全世界范围迅速传播。目前，新型冠状病毒肺炎的确诊依据是从感染者鼻咽拭子、痰、下呼吸道分泌物、血液、粪便、眼分泌物等标本中检测出新型冠状病毒核酸[31]。在对无典型症状、与确诊患者密切接触而居家隔离的暴露人群进行筛查中，核酸检测同样具有重要作用，但检测任务量大并且阳性率很低[32]。这也侧面反映了核酸检测的局限性：因无典型呼吸道症状而未及时就医的患者，作为流动传染源很难被发现，而且也有可能出现假阴性的结果。我国人口众多，尤其一些大城市的人员流动性大，当发生某些传染性疾病却未能及时筛查、诊断时，容易造成大范围播散。此次新型冠状病毒肺炎疫情给我们敲响了警钟，当社会发达、交通便利带来便利的同时，也为某些传染病的防治制造了难题。因此，寻找早期、简易、快速地诊断方法对传染性疾病防控具有重要意义，而呼出气VOCs分析检测为筛查传染性疾病提供了一个新思路。呼出气采样无创、安全、简便、易行，呼出气VOCs分析有望成为某些传染性疾病筛查的生物标志物，其不仅可以独立筛查某些疾病，也可与当前的检测方法相结合，以提高疾病诊断的准确性，从而给予早期诊断、治疗。为了朝着这一目标发展，必须更好地探索呼出气VOCs的产生机制，确定可重复使用的通用采样方法，并根据不同疾病特点挑选特定的生物标志物以建立相应的分析平台，从而推广应用。