引用本文： 陶雨寒, 毛輝. 呼出氣揮發性有機物在呼吸系統非感染性疾病中的應用. 中國呼吸與危重監護雜志, 2024, 23(8): 599-604. doi: 10.7507/1671-6205.202304046 復制
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呼出氣主要包含三種組分：氣體分子、揮發物和冷凝物[1]。呼出氣中含有超過1000種揮發性有機化合物（volatile organic chemicals，VOCs）[2]，可將其分為醇、醛、酮、飽和及不飽和烴、短鏈脂肪酸、芳香族化合物等。多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）的過氧化被認為是呼吸VOCs中烷烴和醛的主要來源，PUFA 非常容易氧化，即使不需要酶介導，也可在與氧氣接觸時形成氫過氧化物，脂質氫過氧化物可分解產生碳氫化合物、醛等，碳氫化合物可在肝臟中進一步代謝為醇。脂肪酸可通過脂肪酸還原酶在醇中進一步還原，或通過酶促反應轉化為酮[3-4]，腸道細菌發酵可產生烷烴類化合物[5]，簡言之VOCs通常是人體碳水化合物代謝、脂質代謝、氧化應激和肝細胞色素P450酶系以及腸道微生物中細菌的有氧和無氧酵解過程的最終產物[5]，細胞/組織產生相關的VOCs或溶解于血液中通過肺泡和毛細血管的快速交換呼出，或沿著呼吸道直接擴散到肺泡或氣道腔中排出，因而呼出氣中VOCs組成和含量的變化可反應機體潛在的病理狀態。呼出氣采樣和分析具有無創、方便、快捷，可重復性高等特點。呼出氣采樣可分為直接采樣法和間接采樣法。直接采樣法又稱為“在線”采樣，是直接將呼出氣引入檢測分析系統，對樣品實時分析。間接采樣法也稱為“離線”采樣，是將呼出氣樣品先儲存起來后轉移到分析儀器中進行分析。一般來說，呼出氣采樣方法的選擇取決于所研究的疾病和采集樣本的環境[6]。呼出氣分析主要分為兩大類，一類是可對呼出氣VOCs進行成分分離和鑒定的質譜法，如：氣相色譜-質譜法（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GC-MS）、液相-質譜法（liquid chromatograph-mass spectrometer，LC-MS）、二維氣相色譜-質譜法（two-dimensional gas chromatography-mass spectrometry，GC×GC-MS）、二維氣相色譜-高分辨飛行時間質譜法（two-dimensional gas chromatography-high resolution time-of-flight mass spectrometry，GC×GC-HRTOFMS）、質子轉移反應質譜法（Proton-transfer-reaction mass spectrometry，PTR-MS）、熱脫附-氣相色譜-飛行時間質譜法（thermal desorption gas chromatographyTime of flight mass spectrometry，TD-GC-ToF-MS）、選擇性離子流動管質譜法（selective ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS）、高氣壓光電離-飛行時間質譜法（high pressure photoionization time of flight mass spectrometry，HPPI-TOFMS）等，一類是將呼出氣VOCs與傳感器中預先編程的模式比較，進行模式識別的電子鼻技術（technique-electronic nose，eNose）。下面，僅就呼出氣VOCs 在呼吸系統非感染性疾病診斷評估中的價值進行綜述。
1 支氣管哮喘
支氣管哮喘（簡稱哮喘）是一種常見的異質性疾病[7]。醫務人員面臨的挑戰不是診斷，而是基于患者潛在生理/病理學評估疾病的嚴重程度以及識別可治療特征，對哮喘患者進行個體化治療[8]。哮喘患者體內瘦素水平增加，瘦素以瘦素受體和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate，NADPH）氧化酶依賴的方式增加細胞內氧化應激[9]。碳氫化合物和醛類被認為是炎癥過程引起的氧化應激的產物[4，10]，因此具有作為炎癥過程的生物標志物的基礎。呼出氣中十四烷、2-戊酮、己醛、壬醛、癸醛等的含量及濃度檢測可用于哮喘的診斷[11]，十二烷、5-己烯酸、辛醛、庚烷等可用于哮喘的分型分析[12]。eNose也廣泛應用于哮喘診斷[13-14]、分型[15-16]。對于重癥哮喘患者，炎癥表型的準確評估，有助于特異治療方案的選擇。de Vries等[16]應用eNose對納入278例哮喘和157例慢阻肺患者的組合樣本進行基于炎癥表型的分型并提供經過驗證的聚類分析。Schleich等[17]采用GS-MS及GC×GC-HRTOFMS發現可用VOCs區分哮喘的不同炎癥表型，其綜合特異性和敏感性均優于FeNO和血嗜酸性粒細胞計數，提出壬醛、丙醇和己烷可作為中性粒細胞性哮喘的替代標志物。然而最近一項來自ALLIANCE隊列的研究，Holz等[18]研究發現哮喘四種不同炎癥表型患者之間呼出氣VOCs沒有顯著差異。這也許是因為與哮喘相關的呼出氣化合物的范圍廣泛，研究人員采取了不同的采樣方法、患者情況和檢測環境不盡相同，使得不同研究存在差異。呼出氣VOCs分析不僅可用于哮喘炎癥表型分型，還可用于監測哮喘患者治療療效。BrinKman等[19]的研究將呼出的揮發性有機化合物與尿液中的沙丁胺醇和口服糖皮質激素（OCS）的檢測聯系起來，通過GC-MS、LC-MS分別檢測重癥哮喘患者呼出的VOCs、尿液中沙丁胺醇及糖皮質激素的水平，提出呼出氣中的VOCs（丁醛、丙酸甲酯、3-甲基丁醛、丁內酯、香芹酮、乙醇酸、辛醛、1-丙醇等）可能有助于哮喘患者藥物攝入量和治療有效性的監測。
表表 1
哮喘相關的VOCs
2 慢性阻塞性肺疾病
慢性阻塞性肺疾病（簡稱慢阻肺）是全球第三大死因，在70歲以下的人群中，近90%的慢阻肺死亡發生在低收入和中等收入國家[11]。雖然慢阻肺無法治愈，但早期診斷和治療對于減緩癥狀的進展和降低急性加重的風險至關重要。慢阻肺其特征是氧化應激（oxidative stress，OS）和持續氣道炎癥的存在[21]，巨噬細胞功能障礙在慢阻肺的發病機制中發揮著重要作用。慢阻肺患者肺巨噬細胞蘋果酸酶1（ME1）蛋白表達顯著減少，ME1催化蘋果酸可逆氧化脫羧為丙酮酸，并將NADP+轉化為NADPH，增強還原型谷胱甘肽的還原能力，ME1的缺失使得氧化還原失衡，從而導致線粒體 活性氧（reactive oxygen species, ROS ）水平發生變化，以超氧陰離子和過氧化氫的形式釋放更多的ROS，使得脂質過氧化增加[22]，同時OS水平受氣道阻塞嚴重程度的影響，慢阻肺急性加重時，OS產生的炎癥標志物水平隨之升高[23]。呼出氣中苯酚[24]、2-戊酮[25]、異戊二烯[26-27]、庚烷[27-28]、己醛[29]等可作為慢阻肺診斷的生物標志物。Pizzini等[30]采用熱脫附-氣相色譜-飛行時間質譜法（TD-GC-ToF-MS）對14例急性加重期慢阻肺患者、16例穩定期慢阻肺患者及24位健康對照者進行呼出氣VOCs分析，發現正丁烷、環己酮、2-戊酮和4-庚酮在急性加重期慢阻肺中濃度升高，而正庚烷和甲基丙基硫醚對穩定期慢阻肺具有特異性。使用電子鼻通過呼出氣VOCs分析以區分慢阻肺患者、健康對照者及其他肺疾病（肺癌、肺炎、OSA）也報道了較高的準確性[31–35]。Scarlata等[36]的研究得出不僅可根據呼出氣VOCs模式對新診斷的慢阻肺進行分類，還發現使用支氣管擴張劑后，VOCs的生成量下降，而經類固醇治療后呼出氣VOCs的組成發生了變化，從而提出呼出氣VOCs分析也可用于慢阻肺治療效果的監測。
表表 2
慢阻肺相關的VOCs
3 肺癌
肺癌是最常見的癌癥死亡原因[37]。研究發現，通過避免危險因素和實施循證預防策略可預防30%-50%的癌癥發生[37]，肺癌的早期發現對預后有著重要影響。癌細胞常常比正常細胞具有更高的ROS，抗氧化酶的減少和細胞內氧化劑的增加使得癌細胞中ROS水平升高。在腫瘤微環境中，參與腫瘤生長、擴散和轉移的信號分子如血小板源性生長因子（PDGF）、整合素、粒細胞-巨噬細胞集落 刺激因子(GM-SF)、干擾素γ (IFN-γ )和轉換生長因 子β (TGF-β )可以促進或抑制NOX-介導腫瘤相關免疫細胞中ROS的產生[38]，過高的ROS水平攻擊細胞膜導致脂質過氧化，不飽和脂肪酸過氧化是VOC產生的重要途徑。發表在JAMA的研究顯示呼出氣VOCs檢測肺癌的敏感性、特異性分別為79%、89%[39]。Tsou等[40]采用選擇性離子流動管質譜（SIFT-MS）對148例肺癌患者和168例健康人呼出的VOCs進行定量分析建立了準確性0.92，靈敏度0.96、特異性0.88、AUC0.98的預測模型。其他研究也報告了具有高靈敏度和特異性預測的診斷模型[41–45]。丙醇[40，46-47]、甲苯[40，42，44，47-48]、異戊二烯[49-50]、2-丁酮[51]、2-戊酮[43，52]、環己酮[52]、己醛[41，48，53]、庚醛[49, 52、辛醛[40，42]、壬醛[40–55]、丁烷[40，56]、環己烷[50，57]、乙酸乙酯[41，50]等是呼出氣中潛在的肺癌標志物。采用呼出氣分析與臨床參數（如：年齡、性別、BMI、是否吸煙、是否同時患有慢阻肺等）相結合的邏輯回歸方法可提高肺癌診斷的準確性[58]。eNose基于VOC模式識別以區分肺癌患者和非肺癌患者[59–61]。Chen等[62]的研究表明呼出氣揮發性有機物分析不僅可區分肺癌患者與健康人，還可準確區分良性肺結節與肺癌，進行肺癌的分型、分期。基于揮發性有機化合物的探針通過腫瘤相關酶在惡性組織中選擇性地轉化以釋放相應的VOC，該VOC擴散到血流中，在呼出氣中釋放，從而可在呼出氣中檢測到該VOC以此作為癌癥的診斷工具[63]。β-葡萄糖醛酸酶基本上位于健康組織的細胞內，而選擇性地積聚在許多實體瘤的微環境中，肺癌中β-葡萄糖醛酸酶活性升高[64]。Lange等[63]證明通過激活基于D5-乙基-β-D-葡糖苷酸（EtGlu）的VOC探針響應腫瘤特異性刺激，腫瘤組織中β-葡萄糖醛酸酶活性增高，該酶可特異性催化腫瘤組織中EtGlu裂解產生D5-乙醇，通過GC-HRMS可監測小鼠呼出氣釋放的D5-乙醇從而區分健康和荷瘤小鼠。利用惡性組織中靶向催化過程釋放相應的VOC可以大大增加健康個體和患病個體的對比度。該研究首次強調了基于VOC的探針在癌癥診斷中的潛力，這種方法還可以監測腫瘤生長及腫瘤對化療的反應。
4 結節病
結節病是一種原因不明的以非干酪樣壞死性上皮細胞肉芽腫為病理特征的系統性疾病，其臨床表現復雜多樣，可累及全身各系統，超過90%的結節病患者有肺部或胸腔淋巴結受累。在美國，每年大約每100萬人中有3.5至4.3人主要由于肺部受累而死于結節病[65]，但目前結節病的診斷尚無客觀標準[66]，呼出氣VOCs分析或可為結節病的診斷提供新方向。一項納入252例結節病、317例間質性肺疾病患者以及48位健康對照者的橫斷面研究中，van der Sar等[67]采用eNose對受試者呼出氣進行分析以區分結節病、間質性肺疾病患者、健康對照者。eNose區分結節病與對照受試者、結節病與間質性肺疾病患者、間質性肺疾病與健康對照者的準確性均為100%。但該研究未納入患有其他肉芽腫性疾病（如結核、感染性及化學性因素所致的肉芽腫等）的患者。Fijten等[68]的研究表明由異戊二烯、2-甲基戊烷、苯、3-甲基己烷、對苯醌、苯酚、D- 檸檬烯、碘甲基環戊烷、二苯并呋喃組成的九種化合物可以區分結節病患者和健康對照者。
5 特發性肺纖維化
特發性肺纖維化（IPF）是一種原因不明的慢性纖維化性間質性肺炎，以進行性呼吸困難和肺功能惡化為特征，預后不良[69]。研究發現IPF患者住院期間或出院后90天內的死亡風險比非住院期間增加了8倍[70]，因此早期識別IPF患者并采取相應的治療對減緩疾病進展具有重要意義。IPF患者血清和肺泡灌洗液中鞘氨醇-1-磷酸S1P水平升高，升高的S1P通過激活肺成纖維細胞中的Hipp/YAP通路體調節線粒體活性氧（mtROS）產生，使得體內ROS自由基水平升高，產生氧化應激攻擊細胞膜，引起細胞膜脂肪酸過氧化，產生VOC[4，71]。盡管呼出氣VOCs用于IPF的研究有限，一些研究卻給出了其在IPF診斷中的潛能。Wu等[72]采用博來霉素誘導的小鼠肺纖維化模型模擬特發性肺纖維化，通過電離飛行時間質譜儀（AI-TOFMS）對受試小鼠呼出氣進行實時分析，實驗結果表明，丙烯醛、乙醇、一氧化氮和氨這四種呼出氣化合物可作為肺纖維化潛在的呼出氣生物標志物。Plantier等[73]通過GC-tof–MS將53名IPF患者與51名對照者的呼出氣VOC進行比較，認為乙醇、庚烷、苯醛（苯甲醛）、二甲基硫醚等，可將IPF患者與健康對照組區分開來，其準確度、靈敏度和特異性分別為84.6%、81.1%、88.2%。
6 其他
對新篩查工具的需求促進了呼出氣分析在區分OSAS患者和對照者的應用。已經使用電子鼻進行了幾項研究[74–76]，并證明在區分OSAS患者與健康對照以及慢阻肺患者方面具有良好的準確度。呼出氣分析有望用于OSAS患者的廣泛篩查和早期診斷，以及監測他們對C-PAP通氣（持續氣道正壓通氣）治療的效果和依從性[77]。脂質過氧化在塵肺的發病機制中起著重要作用，脂質過氧化產生的戊烷和C5-C7甲基化烷烴構成塵肺病患者呼吸中的主要VOCs[78]。肺部病情加重是囊性纖維化患者的常見并發癥，呼出氣3，7-二甲基癸烷濃度與CF患者FEV1pp相關，可用于預測該類患者急性或亞急性臨床惡化的發作[79]。呼出氣VOCs被廣泛用于探索人類健康和疾病期間的整體代謝變化。氧化應激是脂質過氧化最重要的觸發因素，是大多數疾病發病機制的一部分。因此，非肺部疾病也會導致揮發性有機物呼出，如肺外癌癥（胃癌、結直腸癌和乳腺癌）、糖尿病、慢性肝病、心血管疾病或局部炎癥等。從解剖學角度來看，與非肺部疾病相比，肺部疾病可能是揮發性有機化合物呼出的更主要來源，但未來的研究應進一步深入闡明肺部和非肺部疾病對呼出氣VOCs的貢獻[80]。
7 呼出氣VOCs分析可能的影響因素
呼出氣VOCs中的某些化合物可能是由于收集、儲存或測量過程中發生的污染、降解等人為因素產生的，同時年齡、性別、懷孕、藥物、飲食、吸煙等，即使是輕微的運動也可能改變呼出氣VOCs[81-82]，但目前尚無證據表明規定飲食和盡量減少運動可以提高呼出氣生物標志物檢測的重復性，研究表明大部分差異仍歸因于機體健康狀況本身，即疾病與健康狀態[82]，嚴格避免所有潛在的混雜因素可能不值得提倡，但應特別考慮外源性揮發性有機化合物和環境污染等背景因素。呼出氣VOCs中的許多揮發性有機物與多種臨床疾病狀態相關聯，因此，一種疾病不太可能通過單一揮發性有機物來表征，大量的VOC使得呼出氣VOCs譜成為可能，與單一生物標志物相比，呼出氣VOCs譜可以更可靠地識別臨床情景。
8 總結與展望
不同疾病其呼出氣中揮發性有機化合物的組成和濃度有所不同，呼出氣分析應用于呼吸系統疾病診斷，疾病表型分型、嚴重程度及療效評估方面具有極大的應用前景。但目前呼吸分析缺乏標準化的方法來評估所獲得結果的可靠性及其與疾病的相關性，呼出氣揮發性有機物在呼吸系統疾病的臨床應用仍然具有挑戰性，各種研究實施的呼吸采樣程序、研究設計和數據分析方法存在很大的差異，導致結果不一致。需要統一和可重復的呼吸采樣的標準化協議。模型開發、規范和更新的透明度至關重要。然而，隨著更多的研究和發展，呼出氣揮發性有機物分析可能成為呼吸系統疾病早期檢測的簡單工具。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
呼出氣主要包含三種組分：氣體分子、揮發物和冷凝物[1]。呼出氣中含有超過1000種揮發性有機化合物（volatile organic chemicals，VOCs）[2]，可將其分為醇、醛、酮、飽和及不飽和烴、短鏈脂肪酸、芳香族化合物等。多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）的過氧化被認為是呼吸VOCs中烷烴和醛的主要來源，PUFA 非常容易氧化，即使不需要酶介導，也可在與氧氣接觸時形成氫過氧化物，脂質氫過氧化物可分解產生碳氫化合物、醛等，碳氫化合物可在肝臟中進一步代謝為醇。脂肪酸可通過脂肪酸還原酶在醇中進一步還原，或通過酶促反應轉化為酮[3-4]，腸道細菌發酵可產生烷烴類化合物[5]，簡言之VOCs通常是人體碳水化合物代謝、脂質代謝、氧化應激和肝細胞色素P450酶系以及腸道微生物中細菌的有氧和無氧酵解過程的最終產物[5]，細胞/組織產生相關的VOCs或溶解于血液中通過肺泡和毛細血管的快速交換呼出，或沿著呼吸道直接擴散到肺泡或氣道腔中排出，因而呼出氣中VOCs組成和含量的變化可反應機體潛在的病理狀態。呼出氣采樣和分析具有無創、方便、快捷，可重復性高等特點。呼出氣采樣可分為直接采樣法和間接采樣法。直接采樣法又稱為“在線”采樣，是直接將呼出氣引入檢測分析系統，對樣品實時分析。間接采樣法也稱為“離線”采樣，是將呼出氣樣品先儲存起來后轉移到分析儀器中進行分析。一般來說，呼出氣采樣方法的選擇取決于所研究的疾病和采集樣本的環境[6]。呼出氣分析主要分為兩大類，一類是可對呼出氣VOCs進行成分分離和鑒定的質譜法，如：氣相色譜-質譜法（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GC-MS）、液相-質譜法（liquid chromatograph-mass spectrometer，LC-MS）、二維氣相色譜-質譜法（two-dimensional gas chromatography-mass spectrometry，GC×GC-MS）、二維氣相色譜-高分辨飛行時間質譜法（two-dimensional gas chromatography-high resolution time-of-flight mass spectrometry，GC×GC-HRTOFMS）、質子轉移反應質譜法（Proton-transfer-reaction mass spectrometry，PTR-MS）、熱脫附-氣相色譜-飛行時間質譜法（thermal desorption gas chromatographyTime of flight mass spectrometry，TD-GC-ToF-MS）、選擇性離子流動管質譜法（selective ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS）、高氣壓光電離-飛行時間質譜法（high pressure photoionization time of flight mass spectrometry，HPPI-TOFMS）等，一類是將呼出氣VOCs與傳感器中預先編程的模式比較，進行模式識別的電子鼻技術（technique-electronic nose，eNose）。下面，僅就呼出氣VOCs 在呼吸系統非感染性疾病診斷評估中的價值進行綜述。
1 支氣管哮喘
支氣管哮喘（簡稱哮喘）是一種常見的異質性疾病[7]。醫務人員面臨的挑戰不是診斷，而是基于患者潛在生理/病理學評估疾病的嚴重程度以及識別可治療特征，對哮喘患者進行個體化治療[8]。哮喘患者體內瘦素水平增加，瘦素以瘦素受體和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate，NADPH）氧化酶依賴的方式增加細胞內氧化應激[9]。碳氫化合物和醛類被認為是炎癥過程引起的氧化應激的產物[4，10]，因此具有作為炎癥過程的生物標志物的基礎。呼出氣中十四烷、2-戊酮、己醛、壬醛、癸醛等的含量及濃度檢測可用于哮喘的診斷[11]，十二烷、5-己烯酸、辛醛、庚烷等可用于哮喘的分型分析[12]。eNose也廣泛應用于哮喘診斷[13-14]、分型[15-16]。對于重癥哮喘患者，炎癥表型的準確評估，有助于特異治療方案的選擇。de Vries等[16]應用eNose對納入278例哮喘和157例慢阻肺患者的組合樣本進行基于炎癥表型的分型并提供經過驗證的聚類分析。Schleich等[17]采用GS-MS及GC×GC-HRTOFMS發現可用VOCs區分哮喘的不同炎癥表型，其綜合特異性和敏感性均優于FeNO和血嗜酸性粒細胞計數，提出壬醛、丙醇和己烷可作為中性粒細胞性哮喘的替代標志物。然而最近一項來自ALLIANCE隊列的研究，Holz等[18]研究發現哮喘四種不同炎癥表型患者之間呼出氣VOCs沒有顯著差異。這也許是因為與哮喘相關的呼出氣化合物的范圍廣泛，研究人員采取了不同的采樣方法、患者情況和檢測環境不盡相同，使得不同研究存在差異。呼出氣VOCs分析不僅可用于哮喘炎癥表型分型，還可用于監測哮喘患者治療療效。BrinKman等[19]的研究將呼出的揮發性有機化合物與尿液中的沙丁胺醇和口服糖皮質激素（OCS）的檢測聯系起來，通過GC-MS、LC-MS分別檢測重癥哮喘患者呼出的VOCs、尿液中沙丁胺醇及糖皮質激素的水平，提出呼出氣中的VOCs（丁醛、丙酸甲酯、3-甲基丁醛、丁內酯、香芹酮、乙醇酸、辛醛、1-丙醇等）可能有助于哮喘患者藥物攝入量和治療有效性的監測。
表表 1
哮喘相關的VOCs
2 慢性阻塞性肺疾病
慢性阻塞性肺疾病（簡稱慢阻肺）是全球第三大死因，在70歲以下的人群中，近90%的慢阻肺死亡發生在低收入和中等收入國家[11]。雖然慢阻肺無法治愈，但早期診斷和治療對于減緩癥狀的進展和降低急性加重的風險至關重要。慢阻肺其特征是氧化應激（oxidative stress，OS）和持續氣道炎癥的存在[21]，巨噬細胞功能障礙在慢阻肺的發病機制中發揮著重要作用。慢阻肺患者肺巨噬細胞蘋果酸酶1（ME1）蛋白表達顯著減少，ME1催化蘋果酸可逆氧化脫羧為丙酮酸，并將NADP+轉化為NADPH，增強還原型谷胱甘肽的還原能力，ME1的缺失使得氧化還原失衡，從而導致線粒體 活性氧（reactive oxygen species, ROS ）水平發生變化，以超氧陰離子和過氧化氫的形式釋放更多的ROS，使得脂質過氧化增加[22]，同時OS水平受氣道阻塞嚴重程度的影響，慢阻肺急性加重時，OS產生的炎癥標志物水平隨之升高[23]。呼出氣中苯酚[24]、2-戊酮[25]、異戊二烯[26-27]、庚烷[27-28]、己醛[29]等可作為慢阻肺診斷的生物標志物。Pizzini等[30]采用熱脫附-氣相色譜-飛行時間質譜法（TD-GC-ToF-MS）對14例急性加重期慢阻肺患者、16例穩定期慢阻肺患者及24位健康對照者進行呼出氣VOCs分析，發現正丁烷、環己酮、2-戊酮和4-庚酮在急性加重期慢阻肺中濃度升高，而正庚烷和甲基丙基硫醚對穩定期慢阻肺具有特異性。使用電子鼻通過呼出氣VOCs分析以區分慢阻肺患者、健康對照者及其他肺疾病（肺癌、肺炎、OSA）也報道了較高的準確性[31–35]。Scarlata等[36]的研究得出不僅可根據呼出氣VOCs模式對新診斷的慢阻肺進行分類，還發現使用支氣管擴張劑后，VOCs的生成量下降，而經類固醇治療后呼出氣VOCs的組成發生了變化，從而提出呼出氣VOCs分析也可用于慢阻肺治療效果的監測。
表表 2
慢阻肺相關的VOCs
3 肺癌
肺癌是最常見的癌癥死亡原因[37]。研究發現，通過避免危險因素和實施循證預防策略可預防30%-50%的癌癥發生[37]，肺癌的早期發現對預后有著重要影響。癌細胞常常比正常細胞具有更高的ROS，抗氧化酶的減少和細胞內氧化劑的增加使得癌細胞中ROS水平升高。在腫瘤微環境中，參與腫瘤生長、擴散和轉移的信號分子如血小板源性生長因子（PDGF）、整合素、粒細胞-巨噬細胞集落 刺激因子(GM-SF)、干擾素γ (IFN-γ )和轉換生長因 子β (TGF-β )可以促進或抑制NOX-介導腫瘤相關免疫細胞中ROS的產生[38]，過高的ROS水平攻擊細胞膜導致脂質過氧化，不飽和脂肪酸過氧化是VOC產生的重要途徑。發表在JAMA的研究顯示呼出氣VOCs檢測肺癌的敏感性、特異性分別為79%、89%[39]。Tsou等[40]采用選擇性離子流動管質譜（SIFT-MS）對148例肺癌患者和168例健康人呼出的VOCs進行定量分析建立了準確性0.92，靈敏度0.96、特異性0.88、AUC0.98的預測模型。其他研究也報告了具有高靈敏度和特異性預測的診斷模型[41–45]。丙醇[40，46-47]、甲苯[40，42，44，47-48]、異戊二烯[49-50]、2-丁酮[51]、2-戊酮[43，52]、環己酮[52]、己醛[41，48，53]、庚醛[49, 52、辛醛[40，42]、壬醛[40–55]、丁烷[40，56]、環己烷[50，57]、乙酸乙酯[41，50]等是呼出氣中潛在的肺癌標志物。采用呼出氣分析與臨床參數（如：年齡、性別、BMI、是否吸煙、是否同時患有慢阻肺等）相結合的邏輯回歸方法可提高肺癌診斷的準確性[58]。eNose基于VOC模式識別以區分肺癌患者和非肺癌患者[59–61]。Chen等[62]的研究表明呼出氣揮發性有機物分析不僅可區分肺癌患者與健康人，還可準確區分良性肺結節與肺癌，進行肺癌的分型、分期。基于揮發性有機化合物的探針通過腫瘤相關酶在惡性組織中選擇性地轉化以釋放相應的VOC，該VOC擴散到血流中，在呼出氣中釋放，從而可在呼出氣中檢測到該VOC以此作為癌癥的診斷工具[63]。β-葡萄糖醛酸酶基本上位于健康組織的細胞內，而選擇性地積聚在許多實體瘤的微環境中，肺癌中β-葡萄糖醛酸酶活性升高[64]。Lange等[63]證明通過激活基于D5-乙基-β-D-葡糖苷酸（EtGlu）的VOC探針響應腫瘤特異性刺激，腫瘤組織中β-葡萄糖醛酸酶活性增高，該酶可特異性催化腫瘤組織中EtGlu裂解產生D5-乙醇，通過GC-HRMS可監測小鼠呼出氣釋放的D5-乙醇從而區分健康和荷瘤小鼠。利用惡性組織中靶向催化過程釋放相應的VOC可以大大增加健康個體和患病個體的對比度。該研究首次強調了基于VOC的探針在癌癥診斷中的潛力，這種方法還可以監測腫瘤生長及腫瘤對化療的反應。
4 結節病
結節病是一種原因不明的以非干酪樣壞死性上皮細胞肉芽腫為病理特征的系統性疾病，其臨床表現復雜多樣，可累及全身各系統，超過90%的結節病患者有肺部或胸腔淋巴結受累。在美國，每年大約每100萬人中有3.5至4.3人主要由于肺部受累而死于結節病[65]，但目前結節病的診斷尚無客觀標準[66]，呼出氣VOCs分析或可為結節病的診斷提供新方向。一項納入252例結節病、317例間質性肺疾病患者以及48位健康對照者的橫斷面研究中，van der Sar等[67]采用eNose對受試者呼出氣進行分析以區分結節病、間質性肺疾病患者、健康對照者。eNose區分結節病與對照受試者、結節病與間質性肺疾病患者、間質性肺疾病與健康對照者的準確性均為100%。但該研究未納入患有其他肉芽腫性疾病（如結核、感染性及化學性因素所致的肉芽腫等）的患者。Fijten等[68]的研究表明由異戊二烯、2-甲基戊烷、苯、3-甲基己烷、對苯醌、苯酚、D- 檸檬烯、碘甲基環戊烷、二苯并呋喃組成的九種化合物可以區分結節病患者和健康對照者。
5 特發性肺纖維化
特發性肺纖維化（IPF）是一種原因不明的慢性纖維化性間質性肺炎，以進行性呼吸困難和肺功能惡化為特征，預后不良[69]。研究發現IPF患者住院期間或出院后90天內的死亡風險比非住院期間增加了8倍[70]，因此早期識別IPF患者并采取相應的治療對減緩疾病進展具有重要意義。IPF患者血清和肺泡灌洗液中鞘氨醇-1-磷酸S1P水平升高，升高的S1P通過激活肺成纖維細胞中的Hipp/YAP通路體調節線粒體活性氧（mtROS）產生，使得體內ROS自由基水平升高，產生氧化應激攻擊細胞膜，引起細胞膜脂肪酸過氧化，產生VOC[4，71]。盡管呼出氣VOCs用于IPF的研究有限，一些研究卻給出了其在IPF診斷中的潛能。Wu等[72]采用博來霉素誘導的小鼠肺纖維化模型模擬特發性肺纖維化，通過電離飛行時間質譜儀（AI-TOFMS）對受試小鼠呼出氣進行實時分析，實驗結果表明，丙烯醛、乙醇、一氧化氮和氨這四種呼出氣化合物可作為肺纖維化潛在的呼出氣生物標志物。Plantier等[73]通過GC-tof–MS將53名IPF患者與51名對照者的呼出氣VOC進行比較，認為乙醇、庚烷、苯醛（苯甲醛）、二甲基硫醚等，可將IPF患者與健康對照組區分開來，其準確度、靈敏度和特異性分別為84.6%、81.1%、88.2%。
6 其他
對新篩查工具的需求促進了呼出氣分析在區分OSAS患者和對照者的應用。已經使用電子鼻進行了幾項研究[74–76]，并證明在區分OSAS患者與健康對照以及慢阻肺患者方面具有良好的準確度。呼出氣分析有望用于OSAS患者的廣泛篩查和早期診斷，以及監測他們對C-PAP通氣（持續氣道正壓通氣）治療的效果和依從性[77]。脂質過氧化在塵肺的發病機制中起著重要作用，脂質過氧化產生的戊烷和C5-C7甲基化烷烴構成塵肺病患者呼吸中的主要VOCs[78]。肺部病情加重是囊性纖維化患者的常見并發癥，呼出氣3，7-二甲基癸烷濃度與CF患者FEV1pp相關，可用于預測該類患者急性或亞急性臨床惡化的發作[79]。呼出氣VOCs被廣泛用于探索人類健康和疾病期間的整體代謝變化。氧化應激是脂質過氧化最重要的觸發因素，是大多數疾病發病機制的一部分。因此，非肺部疾病也會導致揮發性有機物呼出，如肺外癌癥（胃癌、結直腸癌和乳腺癌）、糖尿病、慢性肝病、心血管疾病或局部炎癥等。從解剖學角度來看，與非肺部疾病相比，肺部疾病可能是揮發性有機化合物呼出的更主要來源，但未來的研究應進一步深入闡明肺部和非肺部疾病對呼出氣VOCs的貢獻[80]。
7 呼出氣VOCs分析可能的影響因素
呼出氣VOCs中的某些化合物可能是由于收集、儲存或測量過程中發生的污染、降解等人為因素產生的，同時年齡、性別、懷孕、藥物、飲食、吸煙等，即使是輕微的運動也可能改變呼出氣VOCs[81-82]，但目前尚無證據表明規定飲食和盡量減少運動可以提高呼出氣生物標志物檢測的重復性，研究表明大部分差異仍歸因于機體健康狀況本身，即疾病與健康狀態[82]，嚴格避免所有潛在的混雜因素可能不值得提倡，但應特別考慮外源性揮發性有機化合物和環境污染等背景因素。呼出氣VOCs中的許多揮發性有機物與多種臨床疾病狀態相關聯，因此，一種疾病不太可能通過單一揮發性有機物來表征，大量的VOC使得呼出氣VOCs譜成為可能，與單一生物標志物相比，呼出氣VOCs譜可以更可靠地識別臨床情景。
8 總結與展望
不同疾病其呼出氣中揮發性有機化合物的組成和濃度有所不同，呼出氣分析應用于呼吸系統疾病診斷，疾病表型分型、嚴重程度及療效評估方面具有極大的應用前景。但目前呼吸分析缺乏標準化的方法來評估所獲得結果的可靠性及其與疾病的相關性，呼出氣揮發性有機物在呼吸系統疾病的臨床應用仍然具有挑戰性，各種研究實施的呼吸采樣程序、研究設計和數據分析方法存在很大的差異，導致結果不一致。需要統一和可重復的呼吸采樣的標準化協議。模型開發、規范和更新的透明度至關重要。然而，隨著更多的研究和發展，呼出氣揮發性有機物分析可能成為呼吸系統疾病早期檢測的簡單工具。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
