呼出气分析在心肺疾病诊断中的临床应用进展.pdf
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1、 885 中国循证心血管医学杂志2023年7月第15卷第7期 Chin J Evid Based Cardiovasc Med,July,2023,Vol.15,No.7 综述 呼出气分析在心肺疾病诊断中的临床应用进展胡海明1,朱衣兴1,常德1基金项目:国家十四五重点研发计划青年科学家项目(2021YFC 2302300);部队三才一队人才工程计划(2021-439);军队高层次科技创新人才工程(2022-QN07351)作者单位:1 100853 北京,中国人民解放军总医院研究生院,解放军总医院第八医学中心呼吸与危重症医学部,解放军总医院第七医学中心呼吸与危重症医学科通讯作者:常德,E-ma
2、il:doi:10.3969/j.issn.1674-4055.2023.07.30每次呼气都有数以千计的分子从人体呼出气中排出,包含氮气、氧气、二氧化碳等惰性气体,以及一氧化氮、硫化氢、氨等无机物和水蒸气、丙酮、乙醇等挥发性有机化合物1。呼出气分析是基于对挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)的检测,其在酒精呼出检测、幽门螺杆菌13C检测和癌症筛查2,3中广泛应用。二十世纪末和二十一世纪初,是呼出气分析测试领域迅速发展的时期。1971年,Linus Pauling4使用气相色谱仪检测到呼出气中包含了250多种VOCs,但直至1985年,Gordon
3、等5首次证实了呼出气VOCs用于早期诊断肺癌的可行性,建立了VOCs与人类疾病的早期关联。20世纪末电子鼻镜技术的高速发展,进一步推动了呼出气分析在医疗领域的应用。与传统实验室检查相比,呼出气分析具有无创、便捷、廉价和易于重复等优点,在心肺疾病的早期检测和筛查以及呼出气酒精检测等公共卫生领域发挥重要作用。呼出气分析技术的优点使其成为了一种具有发展前景的检测方法,本文介绍了呼出气的采集和分析技术、在心肺疾病诊疗中的研究进展,并总结其应用前景和挑战。1 呼出气的采集肺泡呼出气的采样方式分为在线和离线两类,前者是呼出气直接由分析器采样和检测;后者则是先将样本存储在介质中,随后转移至分析平台进行检测,
4、本文主要介绍离线分析取样的步骤与方法。1.1 气体收集容器收集 采气袋、惰性和低放射性塑料材质容器和滤毒罐是离线分析中最常采用的呼出气采样技术,其中Tedlar采气袋、注射器和吸附捕集器应用最为广泛6。惰性袋是呼出气采样的主要方法,而惰性袋采样面临吹入时高阻力对呼出气VOCs的潜在影响和袋储存呼出气样本的保存稳定性问题7。不锈钢惰性气体罐具有不腐蚀、避光、耐用且不与容器发生相互作用等优点,但成本较高,采样前需要抽真空和使用专门设备进行清洁。1.2 气体样本的预浓缩 由于大多数VOCs在人体的呼出气中以低浓度水平存在,因此在仪器分析前需对样本进行预浓缩,以更准确地监测VOCs。呼出气分析最常使用
5、的预浓缩方法包括:热脱附管、固相微萃取法和针头捕集器法。【中图分类号】R541 【文献标志码】A 开放科学(源服务)标识码(OSID)1.2.1 热脱附管 热脱附法是将待测样品吸附于采样管中,再对采样管进行加热使挥发性和半挥发性组分从吸附材料中解析,通过载气将解析的组分带入检测器中进行分析。热脱附管是预浓缩VOCs的常用方法。常用的吸附剂包括Tenax、活性炭等,其中强力吸附剂(Carboxen)常用于吸附挥发性强的有机化合物,而Tenax则用于吸附挥发性较低的有机化合物。1.2.2 固相微萃取法 固相微萃取(SPME)最早由加拿大Pawlinszyn于1989年提出,起初用于环境化学分析,随
6、着研究的深入,现已扩展到生物化学、医药卫生等领域。SPME可分为直接萃取、顶空萃取和膜保护萃取三种基本模式。直接萃取是将涂有吸附剂的纤维插入样品基质种。顶空萃取是采用有固定相的熔融石英纤维吸附样品,其包括将萃取纤维暴露于样品顶部空间中进行萃取,其选择性更高,使用寿命更长。膜保护萃取是将直接萃取和中空保护膜一起使用,可防止大分子扩散到萃取相中。目前固相萃取有外涂纤维SPME(Fiber SPME)、薄膜微萃取、毛细管内微萃取(In-tube SPME)8。Fiber SPME可将目标物吸附于纤维表面,其操作简便,可将吸附、富集、解析和进样于一体,常与气相色谱和高效液相色谱等仪器联用。1.2.3
7、针陷法 针陷法(NTD)是将吸附材料限制在针状装置内,通过拉动针以捕获挥发性有机化合物,是一种可通过增加采样量来提高灵敏度的萃取捕获法。2 呼气分析检测方法2.1 气相色谱-质谱法 1971年,Pauling运用气相色谱法(GC)对呼出气样品中250种挥发物定量4。而质谱(MS)由Aston首次提出,质谱检测可以在电离样品中进行。GC-MS组合,通过气相色谱使复杂的物质分离,利用质谱作为检测器进行定量和定性分析,提供了分离和鉴定气体样本的可能。GC-MS是一种离线分析技术,由于其高灵敏度且可定量定性分析,使其成为检测呼出气中VOCs的金标准。相比于离线分析,在线仪器可短时间内重复测量。常见在线
8、呼气分析技术包括:气相色谱-离子转移谱、质子转移反应-质谱、气相色谱-飞行时间质谱等。Sun等9采集72份健康成年人的血浆样本,运用固相微萃取法提取VOCs,再采用二维气相色谱-飞行时间质谱技术进行分析,确定了401种人血浆挥发性有机化合物。2.2 激光光谱法 与质谱检测相比,激光光谱仪无需对样品进行预处理,且灵敏度高、成本相对较低,可实时检测,具有广阔的应用前景10,主要包括光声光谱(PAS)、光腔衰荡光谱(CRDS)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)。2.3 电子鼻 电子鼻是由与交叉反应传感器阵列结合的挥发性中国循证心血管医学杂志2023年7月第15卷第7期 Chin J Evid
9、Based Cardiovasc Med,July,2023,Vol.15,No.7 886 传感器阵列,对49例COVID-19确诊者、33例非COVID-19肺部感染对照者和58例健康对照者进行检测,数据显示其在区分患者和健康个体的准确率分别达到94%和76%26。此外,与健康对照组和肺癌患者相比,COVID-19患者的呼出气VOCs中丁酸乙酯浓度更高,而丙酮水平更低27。有研究者收集了2019年1月至2022年3月中有关电子鼻和COVID-19的相关文献,纳入了6篇文献,共计3752例研究对象,分析结果显示电子鼻对COVID-19诊断的合并敏感度为0.96,合并特异度为0.73,SROC
10、曲线下面积为0.96,表明电子鼻检测对COVID-19具有一定筛查价值28。3.2 心血管疾病 心力衰竭是一种与冠状动脉粥样硬化、COPD等多种疾病相关,且发病率和死亡率都很高的临床疾病。目前为止,脑钠肽是唯一被证明有多用途的生物标志物。Kupari29首先描述了心力衰竭患者呼出气中丙酮的浓度高于健康者。2012年,Marcondes-Braga等30运用GC-MS法测量心力衰竭患者呼出气,观察到患者呼出气中丙酮浓度高于健康人,是心力衰竭诊断的良好标志物,且与心力衰竭的严重程度相关。随后Samara等31进一步证实呼出气丙酮在心力衰竭诊断中的可行性。呼出气丙酮水平的升高与NYHA及肺毛细血管楔
11、压相关,表明呼出气丙酮浓度与心力衰竭的严重程度和容量超负荷相关32。此外,呼出气一氧化氮对心力衰竭的诊断也起到一定作用。静息状态下慢性心力衰竭患者的呼出气一氧化氮水平高于健康对照组,且升高程度与心力衰竭严重程度正相关33。运动状态也可诱导心力衰竭患者呼出气一氧化氮变化,但仍需更多试验来进一步研究其机制34。Saito等35发现呼出气分析可对运动能力进行客观评估,但在有劳力性呼吸困难症状的患者中识别射血分数保留的心力衰竭的诊断价值不大。肺动脉高压是一种进行性的心肺疾病,可导致右心衰竭。研究发现,原发性肺动脉高压患者呼出气一氧化氮水平降低,且其肺泡灌洗液中一氧化氮产物更低36,37。Hare等38
12、通过研究证实静息状态下心力衰竭合并肺动脉高压的患者呼出气一氧化氮水平高于健康对照组,且升高程度与肺动脉压力呈负相关。经过治疗的肺动脉高压患者呼出气一氧化氮水平升高,提示呼出气一氧化氮可能是评估肺动脉高压疗效的指标39。对老年稳定期COPD呼出气冷凝液进行检测分析,结果提示血清可溶性髓样细胞触发受体-1(sTREM-1)可能与COPD患者形成肺动脉高压有关,可在一定程度上反映肺动脉压水平40。COPD合并肺动脉高压患者的FeNO水平低于单纯COPD患者,提示FeNO可间接反映肺动脉压水平41。类似的,COPD合并肺动脉高压患者呼出气冷凝液中内皮素-1(ET-1)和IL-6等炎症因子水平明显高于单
13、纯COPD患者,提示呼出气冷凝液中ET-1和IL-6可在一定程度反映肺动脉压水平42,43。4 总结和展望人体呼出气中包含了多种挥发性有机化合物,可以形成反映人体健康或疾病状态的“呼出气指纹”。呼出气分析技术作为一种无创、便捷、易于重复的的检测技术,被越来越多研究者用于健康评估和疾病诊断。除上述提到的哮喘、COPD等肺部疾病和糖尿病等疾病,呼出气分析技术还被应用于肺癌、乳腺癌等癌症以及肝脏疾病和心血管等诸多疾化合物组成的识别系统,通过检测VOCs来模仿哺乳动物的嗅觉,识别简单或复杂的气味11。传感器收集数据后,在如主成分分析(PCA)、支持向量机(SVM)和人工神经网络(ANN)等智能算法作用
14、后,可识别气体并对浓度进行定量分析。电子鼻技术由于选择性高、反应迅速等特点被应用于环境监测12、人体疾病检测13和食品安全检测14等方面。3 临床应用 肺是人体与外界进行物质交换的器官,也是人体代谢最为活跃的器官之一。人体代谢产物可释放入血,在肺部经过气血屏障后通过呼吸道排出体外,因此呼出气中VOCs的种类和数量可在一定程度上反映机体的状态。自从Gordon证实了呼出气VOCs在早期肺癌诊断的可行性后5,过去几十年中,呼出气分析技术在肺部疾病和心血管疾病的诊断中发挥着越来越重要的作用。3.1 肺部疾病 支气管哮喘是由多种细胞及细胞组分参与的慢性气道炎症,临床表现为反复发作的喘息、气急,伴或不伴
15、胸闷或咳嗽等症状。1991年Gustafsson等15首次报道应用化学发光法检测出人呼出气中存在NO。1993年,Alving等16发现哮喘患者的FeNO水平升高,提示气道炎症程度与FeNO之间存在正相关性。嗜酸性炎症是哮喘的主要标志,美国胸科学会2011年将FeNO推荐为嗜酸性粒细胞气道炎症的辅助诊断方法,FeNO50 ppb(儿童35 ppb)提示存在症状的嗜酸性粒细胞炎症。Kazmierczak等17通过系统回顾和Meta分析,发现FeNO具有良好的检测性能,并推荐FeNO代替支气管激发试验。国内研究者指出哮喘组和非哮喘组的肺功能检测无统计学差异,提示肺功能可能与气道炎性程度无明确关系,
16、而FeNO无法检测气道阻塞情况,因此在检测哮喘堵塞程度时FeNO不能代替肺功能检测18。与比传统方法相比,FeNO的敏感性和特异性更高,可作为可疑哮喘患者的筛查工具。FeNO也可指导吸入性皮质类固醇治疗哮喘,有研究证实支气管哮喘儿童的FeNO水平与激素治疗疗效存在明显相关性19,Dweik等20报道患儿有非特异性呼吸道症状且FeNO50 ppb时,短期吸入糖皮质激素疗效较好。慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种以持续性气流受限为特征的常见肺部疾病,呈进行性发展,病死率高。由于COPD的炎症细胞主要是中性粒细胞,且炎症小气道为主,而哮喘相关炎症集中在中央气道,因此COPD患者的FeNO常低于哮喘患
17、者21。COPD频繁急性加重的患者中央和外周FeNO浓度存在差异,提示FeNO可作为COPD患者外周小气到炎症指标22。此外,FeNO的水平在COPD运用糖皮质激素治疗前后存在明显差异,提示FeNO对COPD糖皮质激素治疗反应性的预测价值较好23。新型冠状病毒肺炎(COVID-19)是一种传染性极强的呼吸道疾病,过去几年中对公共卫生事业产生了巨大影响,近年来,大量研究者探索呼气分析技术在COVID-19诊断的应用。Ruszkiewicz等24使用GC-IMS法测量COVID-19患者和其他(如COPD)患者的呼出气VOCs,发现乙醛、丙酮、丁酮、甲醇等VOCs可用90%的灵敏度进行区分。Win
18、tjens等25运用电子鼻技术对2019例无症状患者进行筛查,发现呼出气中VOC模式能够以高阴性预测值区分COVID-19阳性和阴性的参与者。有研究者使用纳米材料的 887 中国循证心血管医学杂志2023年7月第15卷第7期 Chin J Evid Based Cardiovasc Med,July,2023,Vol.15,No.7病的诊断30,44。然而呼吸分析技术仍存在一些需要解决的问题:如目前呼气分析并未形成统一规范的操作流程和检测标准,以及针对不同生物标志物的生化途径的研究仍处于初步阶段,其与疾病的关系也需进一步研究。当前人工智能发展迅速,电子鼻的临床应用未呼气分析提供了新的策略,今后
19、呼气分析技术的进一步完善和应用可从以下几点出发:优化算法和借助机器学习对数据进行处理;优化呼气样本采集、储存、处理和分析流程,并建立统一规范的标准;以及从疾病机制出发深入了解其关联。随着科学技术的不断进步和科研人员的不懈努力,相信呼气分析技术能够在健康状态评估、疾病筛查和诊断等方面有更好地应用前景,凭借其无创、快速、廉价和前瞻性等优点成为一项实用和可靠的辅助诊断技术。参 考 文 献1 Popov TA.Human exhaled breath analysisJ.Ann Allergy Asthma Immunol,2011,106(6):451-7.2 Hanna GB,Boshier PR
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