肺癌的呼气诊断方法研究进展

1、肺癌的呼气诊断方法研究进展    2012-08-28     论文导读:目前诊断肺癌的常规方法难以诊断早期肺癌，不能有效提高5年存活率。呼气中挥发性有机物(VOCs)与人体新陈代谢过程密切相关，通过呼气检测肺癌以及其他疾病的研究已成为热点。 由于呼气检测方法具有非侵入性、无痛苦、不昂贵等优点，有望成为检测早期肺癌的新.    目前诊断肺癌的常规方法难以诊断早期肺癌，不能有效提高5年存活率。呼气中挥发性有机物(VOCs)与人体新陈代谢过程密切相关，通过呼气检测肺癌以及其他疾病

2、的研究已成为热点。由于呼气检测方法具有非侵入性、无痛苦、不昂贵等优点，有望成为检测早期肺癌的新方法。本文综述了呼气中的VOCs与人体新陈代谢的关系、影响人体呼气中VOCs浓度的因素、呼气采集方法以及呼气检测肺癌的分析技术研究进展。探讨了呼气诊断早期肺癌仍存在的问题和未来的应用前景。它通过检测人体呼气中的挥发性有机物(volatileor-ganiccompounds，VOCs)的成分及含量来判断人体新陈代谢过程以及机体生理病理情况。近年来，随着痕量VOCs检测技术的迅速发展，呼气诊断肺癌的相关研究得以深入开展。现阐述呼气中的VOCs与人体新陈代谢的关系、影响人体呼气中VOCs浓度的因素、呼气样

3、本采集方法以及呼气检测肺癌的分析技术研究进展，探讨诊断早期肺癌仍存在的问题和未来的应用前景。呼气中的VOCs与人体新陈代谢的关系人呼气中除了包含空气中大量存在的N2、O2、CO2、水蒸气以及少量的惰性气体外，还包含以微量形式存在的VOCs。根据VOCs的来源不同将其分为外源性VOCs和内源性VOCs。外源性VOCs是指通过肺部吸入或通过皮肤吸收而出现在呼气中的VOCs。内源性VOCs的产生则与人体新陈代谢过程密切相关。为了解内源性VOCs的新陈代谢过程，部分研究小组对体外培养的肺癌细胞所产生的VOCs及肺癌患者血液中的VOCs进行研究。Smithetal使用选择离子流动管质谱分析技术(SIFT

4、-MS)研究发现乙醛的浓度与肺癌细胞的数量成正比。Chenetal利用气相色谱质谱技术(GC-MS)对4种不同的肺癌细胞(包括鳞状细胞癌、腺癌、细支气管肺泡癌和非小细胞癌)以及4种正常细胞(包括味蕾细胞、成骨细胞、脂肪细胞和支气管上皮细胞)的顶空气体进行检测，发现4种特别的VOCs仅存在于所有肺癌细胞的顶空气体中。肺癌细胞新陈代谢的部分产物可经由血液运送至肺部，通过气体交换进入肺泡而出现在呼气中。Dengetal对肺癌患者血液中的VOCs进行分析，发现患者血液中的己醛和庚醛浓度比健康对照者的高。通过将患者呼气中的VOCs与血液中的VOCs对比证明呼气中的己醛和庚醛来自于血液中，这也说明使用呼气

5、检测来筛查肺癌是可行的。影响人体呼气中VOCs浓度的因素人体呼气中的VOCs浓度不仅受肺癌单一因素影响，饮食状况、吸烟与否、是否患有其他疾病以及环境中的VOCs都会造成呼气中VOCs浓度的改变。因此在实验过程中，应尽量避免非疾病因素所造成的浓度改变。呼气中的VOCs浓度会受到饮食状况影响。例如，饮用含糖饮料2h后，乙醇浓度会明显升高。食用大蒜24h后，丙酮的浓度范围从原来的1.8ppm上升到5ppm。这就要求所有被测在采样前一段时间内不得进食且此前不得食用有辛辣味道的安徽医科大学学报ActaUniversitatisMedicinalisAnhui2012Jul;47食品。呼气中的VOCs浓度

6、也会受到吸烟影响。香烟燃烧时释放出许多有害气体和致癌物质，这些有机物不仅残留于人体的呼气中，还加速了细胞的氧化应激过程和脂质过氧化过程，从而改变人体内VOCs新陈代谢情。Kischkeletal发现14种VOCs(主要是支链烃)在肺癌患者、吸烟者以及健康对照者之间存在明显差异。因此应该根据肺癌患者以及健康对照者不同吸烟情况进行分类排除由吸烟引起的呼气中VOCs浓度改变。患有其他疾病尤其是肺部疾病都会引起呼气中的VOCs浓度的改变。Mazzoneetal对肺癌患者的呼气与其他肺部疾病如慢性阻塞性肺病、结节病等肺部疾病患者的呼气进行对比研究。因此，有必要对其他肺部疾病进行分类研究。此外，实验中应尽

7、量减少周围环境空气中VOCs对结果的影响，一般要求所有被测者在特定房间休息1060min后再进行呼气采样。也可以通过让患者或志愿者呼气前吸入纯净的空气来消除空气中的VOCs。Pengetal使用VOCs过滤器，可以过滤吸入中99.99%的VOCs。另外，采样过程中使用鼻夹也能有效减少，进入呼气中的环境组分。呼气样气采集目前有两种方法用来采集呼气，一种是混合呼气采样方式，另一种是肺泡采样方式。如图1所示，Phase为呼出的死腔气体，不包括内源性VOCs;Phase为呼出的肺泡气体和空气的混合物;Phase为纯肺泡气体，包括大量内源性VOCs;混合呼气采样方式采集从Phase到Phase的所有气体

8、，即包括死腔气体在内的所有气体。采样袋采样就属于混合呼气采样方式。这种方法易于操作、自主呼吸、无需额外的设备，但呼气的浓度低于肺泡气体的真实浓度，可以通过测定空气环境或吸入气体物质浓度，计算“肺泡梯度”或者扣背景的方法纠正呼出浓度。但这些方法并没有考虑肺部对VOCs吸收和释放的影响。尤其是当吸入VOCs浓度和呼出VOCs浓度在同一量级时结果会受到较大影响;肺泡采样方式仅采集Phase的气体，即采集纯肺泡气体。由于不存在死腔气体稀释，这种采样方式获得的呼气浓度是混合呼气采样的23倍。而且肺泡呼气采样能够把外界污染物干扰降到最低。这种方法是有效的，但繁琐、费时，且不适用于常规诊断治疗。图1混合呼气

9、采样方式与肺泡采样方法4呼气检测肺癌的分析技术及其研究结果目前应用于呼气辅助诊断肺癌的检测技术主要有GC-MS、离子迁移谱(ionmobilityspectrometer，IMS)、质子转移反应质谱(protontransferreactionmassspectrometry，PTR-MS)和电子鼻等技术。下面将根据不同的分析方法概述近年来在呼气检测肺癌方面的研究结果。GC-MS技术及其研究结果GC-MS技术结合了气相色谱和质谱的优点，能够同时对样品进行色谱分离和质谱数据采集，并因其能够对呼气进行定性定量分析，而使用的最为广泛。i以60例肺癌患者、108例胸透异常对照者的呼气样本作为研究对象，

10、通过计算22种VOCs的肺泡梯度发现肺癌患者呼气中一些烷烃浓度比健康对照者的呼气浓度低。认为这是由于在癌变过程中，肺癌激发了细胞色素P450的活性，从而加速了VOCs分解代谢过程。Polietal的研究结果与Phillips的相反，他们利用固相微萃取(SPME)方法结合GC-MS技术对36例早期非小细胞肺癌患者(NSCLC)、25例慢性阻塞性肺病患者(COPD)、35例无症状吸烟者以及50例非吸烟者呼气中的VOCs进行测量。其中肺癌患者、慢性阻塞性肺病患者和吸烟者呼气中的13种VOCs(7种脂肪族化合物和6种芳香族化合物)的浓度高于非吸烟者和室内空气。此外，对26例肺癌患者在摘除肿瘤前后进行呼

11、气采样，发现异戊二烯、癸烷在切除手术后明显减少。2010年的两项研究结果表明，呼气中醛类有机物的含量与患有肺癌密切相关。Fuchseta对12例肺癌患者、12例吸烟者、12例健康对照者呼气中从甲醛(C1)到正癸醛(C10)10种醛类的含量进行检测。结果显示，乙醛、丙醛、丁醛、庚醛和癸醛的含量在肺癌患者和健康对照者之间没有明显差别。而肺癌患者呼气中的戊醛、己醛、辛醛和壬醛明显高于吸烟者和健康对照者。此外，小细胞肺癌患者呼气中的己醛含量高于NSCLC患者，认为是由于细胞在细胞增殖和代谢方面比其他肿瘤细胞更活跃导致小细胞肺癌患者呼气中的乙醛浓度较高。同年Polieital对40例NSCLC和38例健

12、康对照者呼气中C3-C9直链醛进行检测。结果显示呼气中醛含量明显高于外界环境中的醛含量，表明呼气中的醛含量来自于人体新陈代谢本身。结果显示，不吸烟的肺癌患者除丙醛外，其余醛的浓度都明显高于健康对照组。而吸烟的肺癌患者的醛浓度全部高于健康对照。没有将甲醛和乙醛包括在内，主要是因为它们普遍存在于室内和室外环境中，并且是烟草燃烧的产物。也有研究表明醛类是在活性氧进攻膜结构时，多不饱和脂肪酸发生氧化分解的产物。因此呼气中的醛能够反映人体的氧化应激情况以及癌细胞的代谢过程。通过对肺癌患者和健康对照个体的呼气进行比对实验。发现3种化合物的浓度存在明显差异，它们的质荷比分别是31、43、69。推测它们分别是

13、甲醛(2.3倍)、异丙醇(2.6倍)、异戊二烯(0.6倍)。此后，Bajtarevicetal对220例肺癌患者以及441例健康对照者的呼气进行检测，结果显示，肺癌患者呼气中的异戊二烯、丙酮、甲醇的含量略微低于健康对照者。电子鼻技术及其研究结果电子鼻的工作原理类似于人体的嗅觉系统。大部分传感器是通过气体吸附到其表面所引起的传感器的导电性、质量、振动或颜色变化来识别不同的气体成分。由于其无需对样品本身进行处理，且具有快速、客观、准确、重复性好的特点而广泛用于呼气检测。Pengetal使用金纳米粒子传感器结合图像识别技术成功区分了肺癌患者及健康对照者。这种方法具有不需要除湿以及预富集的优点，而且这

14、种金纳米粒子传感器不受性别、年龄以及是否吸烟的影响。与此同时使用固相微萃取结合GC-MS技术对40例肺癌患者以及56例健康对照者的呼气进行检测，确定了气体中42种有机物作为肺癌标志物。根据GC-MS的结果选择不同浓度的乙苯、十一烷、4甲基辛烷、2，3，4-三甲基正己烷模拟肺癌患者以及健康对照者的呼气，模拟肺癌气体与模拟健康气体没有相互重叠部分，并且模拟肺癌气体和模拟健康呼气完全包含在相应的实际呼气中。说明模拟呼气方法能够很好的提高并检验传感器的性能的研究也证明了当向健康对照者的呼气中加入单一或者混合癌症标志物(苯胺、邻甲苯胺、环戊烷)时，人为改变的呼气非常靠近健康对照者但有向肺癌组移动趋势。以

15、上分析技术都具有非侵入性、无痛苦、不昂贵等优点。但这几种方法也存在各自的局限性，如GC-MS操作复杂，需要对样本进行富集，且不能对呼气进行实时在线监测。PTR-MS在辨认化合物上不能100%确定化合物，而且有可能几个化合物相互重叠在一起。电子鼻则不能探测到所有可能的肺癌标志物，这阻碍了进一步研究肺癌的生理病理过程。同时由于缺少采样、分析数据的统一标准以及样本量相对较小，上述分析技术所得出的结论不尽相同。但这也说明了肺癌患者与健康对照者之间在呼出VOCs成分及含量上确实存在着差异。这就需要在扩大被测人数以排除个体差异的基础上，标准化采样方式及采样过程，在研究初期使用GC-MS获得探寻准确的肺癌标志物，而后使用PTR-MS技术或电子鼻技术对相应的肺癌