呼出氣揮發(fā)性有機(jī)化合物分析在診斷某些傳染性疾病中的作用▲

肖 江 朱成杰 商 艷，3 白 沖

(海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院1 呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，3 全科醫(yī)學(xué)科，上海市 200433，電子郵箱：www.dycyd.com@163.com； 2 中國(guó)人民解放軍94804部隊(duì)衛(wèi)生隊(duì)，上海市 200434)

【提要】 人呼出氣中含有多種揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，反映機(jī)體的代謝狀況，為多種疾病中提供了大量的病理生理信息。研究表明，VOCs與多種傳染性疾病存在相關(guān)性，有望成為協(xié)助篩查、診斷以及治療監(jiān)測(cè)傳染性疾病的生物標(biāo)志物。故本文針對(duì)呼出氣VOCs分析在診斷某些傳染性疾病中的作用展開(kāi)綜述。

人呼出氣主要由水蒸氣和惰性氣體組成，同時(shí)也含有多種揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds，VOCs)[1]。呼出氣VOCs主要來(lái)源于3個(gè)方面：外部環(huán)境(吸入或通過(guò)皮膚吸收)、人類(lèi)自身以及微生物群落的新陳代謝[2-4]?；诤舫鰵獾腣OCs分析是一種可用于診斷多種疾病的新方法，具有快速、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，其基本原理是：當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)某種疾病時(shí)，體內(nèi)氧化應(yīng)激、細(xì)胞色素p450、肝酶、糖類(lèi)和脂質(zhì)代謝等一種或多種生理過(guò)程發(fā)生改變，導(dǎo)致呼出氣VOCs發(fā)生明顯而直接的變化[5]。每種疾病都有其獨(dú)特的VOCs[6]，因此，對(duì)這些VOCs的分離和檢測(cè)可以用于多種疾病的早期篩查及診斷。既往關(guān)于VOCs的研究主要集中在慢性呼吸系統(tǒng)疾病，例如慢性阻塞性肺疾病[7-8]、支氣管哮喘[9-10]、肺癌[11-13]等。然而，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，呼出氣VOCs也與多種傳染性疾病有著密切的關(guān)聯(lián)。本文就呼出氣VOCs分析在診斷某些傳染性疾病中的作用做一綜述。

1 呼出氣VOCs在診斷流行性感冒中的作用

流行性感冒(簡(jiǎn)稱(chēng)流感)是世界范圍內(nèi)最常見(jiàn)的病毒性疾病之一，由屬于正黏病毒科的流感病毒引起，該病毒主要分為甲、乙和丙3種類(lèi)型。其中，甲型流感病毒根據(jù)包膜上糖蛋白血凝素和神經(jīng)氨酸酶的組合分為許多亞型，如H1N1或H3N2[14]。當(dāng)兩種亞型病毒同時(shí)感染一個(gè)細(xì)胞時(shí)，兩種不同亞型病毒之間可能發(fā)生基因重組，新的亞型病毒就有了新的遺傳和生物學(xué)特征。甲型流感病毒的自然宿主是人類(lèi)、水禽和豬，這種重組也可能發(fā)生在人畜共患型之間[15]。這些因素都可影響甲型流感的診斷、治療及預(yù)防。

由于流感病毒感染發(fā)生在呼吸道，在感染過(guò)程中從肺部呼出的VOCs可能會(huì)發(fā)生顯著變化。有研究表明，感染甲型流感病毒的B淋巴母細(xì)胞釋放的VOCs濃度會(huì)發(fā)生變化[15]，當(dāng)人鼻腔內(nèi)接種甲型流感病毒疫苗后，呼出氣成分也會(huì)發(fā)生改變[16]。因此，對(duì)感染流感病毒的患者呼吸氣進(jìn)行VOCs分析可以提供額外的疾病早期信息。Aksenov等[15]在B淋巴母細(xì)胞分別感染3種亞型活流感病毒(H9N2、H6N2和H1N1)后測(cè)定細(xì)胞產(chǎn)生的VOCs，發(fā)現(xiàn)在釋放的VOCs中酯類(lèi)和其他含氧化合物含量尤為顯著，可以作為檢測(cè)甲型流感病毒的生物標(biāo)志物。Traxler等[17]應(yīng)用氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)對(duì)14只豬(對(duì)照組3只和甲型流感病毒感染組11只)的呼出氣VOCs進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有6種VOCs可能與甲型流的進(jìn)展有關(guān)，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。基于上述研究的結(jié)果，呼出氣VOCs分析具有大規(guī)模篩查甲型流感病毒的潛力，但仍需要進(jìn)一步研究以建立相關(guān)生物標(biāo)志物列表，并比較不同類(lèi)型流感病毒感染后呼出氣中生物標(biāo)志物的差異，確定這些化合物的診斷價(jià)值。

2 呼出氣VOCs在診斷肺結(jié)核中的作用

肺結(jié)核是一種通過(guò)空氣傳播的傳染性疾病，其診斷與治療仍然是當(dāng)今全球公共衛(wèi)生的一項(xiàng)重要難題，并且近年來(lái)多耐藥結(jié)核病的發(fā)病率逐漸上升[18-19]，社會(huì)負(fù)擔(dān)日益加重。目前肺結(jié)核的診斷主要依賴(lài)于痰涂片鏡檢或細(xì)菌培養(yǎng)，但在資源相對(duì)缺乏的地區(qū)，這些方法的應(yīng)用受到限制[20]。與痰涂片鏡檢相比，半巢式全自動(dòng)實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)的靈敏度顯著提高[18],然而由于樣本采集具有侵入性且成本較高，這一新技術(shù)在相對(duì)貧窮或資源有限的國(guó)家中的普及受到限制[21]。

近年來(lái)，已有學(xué)者采用不同方法檢測(cè)呼出氣VOCs用于診斷肺結(jié)核。Phillips等[22]采用氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)分析了226例活動(dòng)性肺結(jié)核患者的呼出氣VOCs，發(fā)現(xiàn)VOCs中包含幾種活動(dòng)性肺結(jié)核的常見(jiàn)生物標(biāo)志物，包括氧化應(yīng)激產(chǎn)物(如烷烴和烷烴衍生物)以及結(jié)核分枝桿菌的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物(如環(huán)己烷和苯衍生物)，這些生物標(biāo)志物診斷活動(dòng)性肺結(jié)核病患者的受試者工作特征曲線下面積為85%，敏感性為84%，特異性為64.7%。一項(xiàng)隊(duì)列研究利用陣列式傳感器的電子鼻系統(tǒng)(DiagNose,C-it BV)檢測(cè)呼出氣VOCs，結(jié)果表明其在區(qū)分健康對(duì)照組和肺結(jié)核患者方面的敏感性為93.5%，特異性為85.3%[23]。Zetola等[18]也使用類(lèi)似的傳感器陣列分析呼出氣VOCs以區(qū)分肺結(jié)核患者和健康對(duì)照者，結(jié)果顯示其診斷靈敏度達(dá)94.1% ，特異度達(dá)90.0%；此外，在治療期間對(duì)肺結(jié)核病患者進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)患者的VOCs出現(xiàn)時(shí)間依賴(lài)性的信號(hào)變化。以上研究表明，呼出氣VOCs分析在結(jié)核患者的診斷以及治療期間病情監(jiān)測(cè)具有一定的作用。

3 呼出氣VOCs在診斷瘧疾中的作用

瘧疾是一種由瘧原蟲(chóng)引起的急性傳染性疾病。目前已知有5種瘧原蟲(chóng)對(duì)人類(lèi)具有傳染性，以惡性瘧原蟲(chóng)和間日瘧原蟲(chóng)為主要類(lèi)型[24]。瘧疾的常見(jiàn)癥狀包括發(fā)熱、頭痛和畏寒，通常在患者感染后10～15 d出現(xiàn)，如果在24 h內(nèi)得不到及時(shí)治療，由感染惡性瘧原蟲(chóng)所致的瘧疾患者病情可迅速進(jìn)展甚至死亡。在地方和國(guó)際供資機(jī)構(gòu)、區(qū)域瘧疾控制規(guī)劃和世界衛(wèi)生組織的積極推動(dòng)下，過(guò)去15年中瘧疾發(fā)病率和死亡率大幅下降，但消除瘧疾仍然是當(dāng)前許多國(guó)家的目標(biāo)。控制瘧疾需要準(zhǔn)確、快速、可靠的診斷方法，快速診斷試驗(yàn)在瘧疾的診斷中具有重要作用?？焖僭\斷試驗(yàn)可以檢測(cè)瘧原蟲(chóng)釋放到血液中的許多蛋白質(zhì)，例如富含組氨酸的蛋白質(zhì)2和乳酸脫氫酶，然而其對(duì)低水平瘧原蟲(chóng)血癥的瘧原蟲(chóng)檢測(cè)不夠敏感[25]。因此，仍然需要尋找一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、快速、可靠的診斷瘧疾的方法。

Berna等[26]收集了瘧疾患者治療期間的呼吸氣樣本分析VOCs，鑒定出9種化合物的濃度變化很大，包括二氧化碳、異戊二烯、丙酮、苯、環(huán)己酮以及4種硫醚[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]，并且呼出氣中硫醚的含量隨著感染的加重而增加。此外，感染惡性瘧原蟲(chóng)的患者呼吸氣中硫醚的含量明顯高于正常人，然而在感染間日瘧原蟲(chóng)的患者中沒(méi)有觀察這種變化，因此，推測(cè)硫醚可能與惡性瘧原蟲(chóng)獨(dú)特的致病機(jī)制有關(guān)[26]。還有研究顯示，在間日瘧原蟲(chóng)、惡性瘧原蟲(chóng)感染所致的瘧疾患者呼出氣中萜烯類(lèi)化合物均顯著增加，萜烯類(lèi)化合物對(duì)間日瘧原蟲(chóng)、惡性瘧原蟲(chóng)所致瘧疾的診斷準(zhǔn)確率分別達(dá)91%、93.5%[27]。以上研究表明，多種呼出氣VOCs都有可能成為篩查瘧疾的生物標(biāo)志物。

4 呼出氣VOCs在診斷人棘球蚴病中的作用

人棘球蚴病是由棘球絳蟲(chóng)引起的一種傳染性疾病，最常見(jiàn)的臨床分型為肝囊型棘球蚴病(hepatic cystic echinococcosis，HCE)和肺泡性棘球蚴病(alveolar echinococcosis，AE)，人類(lèi)可通過(guò)攝入污染水、食物，或與動(dòng)物宿主(如狗和羊)的直接接觸而感染棘球絳蟲(chóng)。人棘球蚴病在中國(guó)大部分地區(qū)流行，并在許多歐洲國(guó)家重新出現(xiàn)[28]，且大多數(shù)人棘球蚴病發(fā)生在資源缺乏地區(qū)，這導(dǎo)致該病的診斷既昂貴又困難。其中，AE型患者病情一般較重，90%的AE型患者如果不及時(shí)治療會(huì)出現(xiàn)死亡，而HCE型患者死亡率較低，但如果治療和護(hù)理不足，死亡率也可能會(huì)大幅上升[29]。

Welearegay等[30]納入32例HCE患者和43例健康對(duì)照者，以及16例AE患者和8例健康對(duì)照者，使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀以及專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的電子系統(tǒng)對(duì)所有研究對(duì)象的呼出氣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)HCE患者呼出氣中有2種VOCs的濃度高于對(duì)照者，包括13-二十二碳烯酸、1-十三(碳)烯，而AE患者呼吸氣中有7種VOCs的濃度低于對(duì)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。這說(shuō)明盡管這兩種疾病都是由棘球絳蟲(chóng)引起的，但兩者的發(fā)病機(jī)制以及它們?cè)隗w內(nèi)所引起的化學(xué)變化可能是完全不同的。基于上述研究結(jié)果，Welearegay等[30]研發(fā)了包含8個(gè)傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)對(duì)AE和HCE患者的呼吸氣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)AE、HCE的識(shí)別準(zhǔn)確率分別為100%、92.9%。由此可見(jiàn)，呼出氣VOCs分析具有早期診斷人類(lèi)棘球蚴病和篩查密切接觸人群的潛能。

5 小結(jié)和展望

2019年12月湖北省武漢市出現(xiàn)新型冠狀病毒肺炎病例，隨后這種疾病在全國(guó)和全世界范圍迅速傳播。目前，新型冠狀病毒肺炎的確診依據(jù)是從感染者鼻咽拭子、痰、下呼吸道分泌物、血液、糞便、眼分泌物等標(biāo)本中檢測(cè)出新型冠狀病毒核酸[31]。在對(duì)無(wú)典型癥狀、與確診患者密切接觸而居家隔離的暴露人群進(jìn)行篩查中，核酸檢測(cè)同樣具有重要作用，但檢測(cè)任務(wù)量大并且陽(yáng)性率很低[32]。這也側(cè)面反映了核酸檢測(cè)的局限性：因無(wú)典型呼吸道癥狀而未及時(shí)就醫(yī)的患者，作為流動(dòng)傳染源很難被發(fā)現(xiàn)，而且也有可能出現(xiàn)假陰性的結(jié)果。我國(guó)人口眾多，尤其一些大城市的人員流動(dòng)性大，當(dāng)發(fā)生某些傳染性疾病卻未能及時(shí)篩查、診斷時(shí)，容易造成大范圍播散。此次新型冠狀病毒肺炎疫情給我們敲響了警鐘，當(dāng)社會(huì)發(fā)達(dá)、交通便利帶來(lái)便利的同時(shí)，也為某些傳染病的防治制造了難題。因此，尋找早期、簡(jiǎn)易、快速地診斷方法對(duì)傳染性疾病防控具有重要意義，而呼出氣VOCs分析檢測(cè)為篩查傳染性疾病提供了一個(gè)新思路。呼出氣采樣無(wú)創(chuàng)、安全、簡(jiǎn)便、易行，呼出氣VOCs分析有望成為某些傳染性疾病篩查的生物標(biāo)志物，其不僅可以獨(dú)立篩查某些疾病，也可與當(dāng)前的檢測(cè)方法相結(jié)合，以提高疾病診斷的準(zhǔn)確性，從而給予早期診斷、治療。為了朝著這一目標(biāo)發(fā)展，必須更好地探索呼出氣VOCs的產(chǎn)生機(jī)制，確定可重復(fù)使用的通用采樣方法，并根據(jù)不同疾病特點(diǎn)挑選特定的生物標(biāo)志物以建立相應(yīng)的分析平臺(tái)，從而推廣應(yīng)用。