呼出气检测在肺部感染与呼吸重症中的研究进

本文原载于《中华结核和呼吸杂志》年第3期

呼出气检测在日常生活和临床上早已应用，如排查酒驾时的乙醇浓度测定、诊断胃部幽门螺杆菌(HP)感染时的13C/14C呼出气检测以及临床呼吸末CO2测定等[1]。人的呼出气中包含许多物质，包括小分子非有机物，如O2、CO2；挥发性有机物(VOCs)，如烃、醛、酯类等，此类物质大约有种，一般可检测到种；非挥发性物质如细胞因子及白三烯等，此类物质可在呼出气冷凝物(EBC)中检测到[2]。

微生物感染机体后，经过体内代谢，可产生广泛的VOCs，如烃、醇、酮类，含氮、硫化合物等。呼出气中VOCs多数是在机体炎症过程中产生，具有无创特性的呼出气检测可用于直接监测气道炎症和氧化应激状态。不同微生物种属在人体组织微环境中生长代谢时产生的VOCs种类不同，检测其代谢谱和与病原菌相关的特异性物质，探索这些物质与疾病的相关性，对于临床有潜在的诊断及预测价值[3,4]。

目前，用于呼吸道检查的方法，如气管镜、肺泡灌洗、痰涂片及培养等均属于侵入性有创操作，且结果一般要等24h以上。作为无创快速检查手段的呼出气检测，在肺部疾病的早期诊断与鉴别诊断、疾病严重程度评估及疾病筛选等方面有潜在的应用价值。电子鼻技术可探寻不同肺部疾病时VOCs印迹，而质谱仪可确定具有疾病特征性的生物标志物。本文对呼出气检测相关研究进展综述如下。

一呼出气检测的原理和方法分类

最常用的VOCs检测方法包括色谱-质谱法(GC-MS)及电子鼻，前者属金标准技术。电子鼻有众多的纳米传感器组成，其依据各物质电阻的差异产生特征性的呼出气谱，从而利用模式识别原理探测不同的疾病状态。GC-MS方法中VOCs首先被离子化，基于不同的质/荷比特性，不同的VOCs逐步到达色谱柱末端。该方法既能确认与代谢过程相关的单个VOC，也能确认呼出气内所有物质，其制样与检测的时间地点相对独立，且敏感度较高。但GC-MS技术也存在一定局限性，在气体进入色谱柱之前，需进行制样和预浓集，其间可能存在污染和丢失目标分析物的风险，检测过程也无法实现实时化。其他常用检测方法如选择性离子流动管质谱和质子转移反应质谱，两者的优势在于能对机体代谢过程长达数小时的实时监测，而无需对样品进行预处理[5]。但两者均不能确定具体物质，如需确定仍需借助GC-MS。

二病原微生物特异性VOCs

病原微生物入侵人体时，机体炎症反应可产生多种机体源性非特异性VOCs，而探索病原微生物生长代谢过程中释放的特异性VOCs，对于呼出气检测将更有意义。作为理想生物标志物的VOCs，应符合以下条件：检出的敏感度与特异度高，检测方法简单、迅速、准确并已得到验证，已清晰阐明该物质体内产生的分子机制。

1．细菌：

将肺囊性纤维化(CF)伴铜绿假单胞菌感染患者的痰液或咽拭子进行体外培养，其培养皿顶层气体中可分离到较高浓度的氰化氢(HCN)，诊断特异度达%；不同菌株产生的HCN水平有差异[6,7]。Gilchrist等[8]研究了8例该菌感染的肺CF儿童患者以及7例不伴该菌感染的肺CF患者，结果显示前者呼出气中存在HCN。HCN和2-氨基苯乙酮均为色氨酸代谢产物，其他细菌也会产生，故需鉴别，如患者是否同时存在幽门螺杆菌的感染以及是否刚吃过谷物薯片等[9,10]。该菌在低氧及接触抑制条件下产生更多的HCN，进一步损伤肺组织；通过硫转移酶可将其转变为硫氰酸盐[11]。

目前，有关金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生长代谢时产生VOCs的研究基本局限于体外培养[12,13,14]。

2．真菌：

Chambers等[15]对肺部烟曲霉病患者和健康者进行了对比研究，发现前者呼出气中存在2-戊基呋喃。但该研究团队在肺炎链球菌体外培养时也发现了2-戊基呋喃，在丝胞菌属和镰刀菌属真菌生长代谢时也存在该物质[4,16]，提示2-戊基呋喃可作为肺烟曲霉感染时较特异的分子标志物，但有待更深入的研究。

Koo等[17]报道了侵袭性肺曲霉病患者中呼出气的检测分析，体内研究结果显示，α-和β-反式佛手柑油烯、β-vatirene样倍半萜烯及反式香叶基丙酮对于诊断侵袭性肺曲霉病患者的敏感度为94%，特异度为93%。

3．结核：

Fend等[18]报道，应用电子鼻技术能早期有效鉴别临床痰标本中有无MTB，与培养结果相比，其敏感度为89%，特异度为91%。Syhre等[19]运用GC-MS技术对MTB进行了研究，体内研究结果显示痰涂片阳性患者的呼出气中存在烟酸甲酯。Kolk等[20]对71例痰标本MTB培养阳性患者与例培养阴性患者的呼出气进行比较，发现前者呼出气中存在5-己烯醇、十二烷酸、辛醛及3，4-二苯己烷等物质，能较好地区别结核与非结核人群。Phillips等[21]对23例痰培养阳性肺结核患者、19例疑似肺结核但痰培养阴性患者及59名健康对照者的呼出气进行对比研究，发现呼出气谱能较好鉴别患者(包括确诊与疑似)与健康者人群以及痰MTB培养阳性患者与培养阴性患者人群，且均具有较高的敏感度和特异度。后期，Phillips等[22,23]再次对例可疑肺结核患者(包括65例痰MTB培养阳性和例培养阴性患者)进行呼出气研究，发现对于活动性肺结核患者的敏感度和特异度均较高，同时也对一项6min气体检测新技术进行了研究，其阴性预测值达98%。

4．病毒：

最近，Schivo等[24]和Aksenov等[25]对人鼻病毒、多种流感病毒株体外感染原代人气管-支气管上皮细胞、B淋巴母细胞产生的VOCs进行了研究，发现顶层气体中存在脂肪醇、支链烃、二甲硫醚等物质，推测这些物质可能只是非特异性氧应激状态下的产物，但有待进一步研究。

前述对病原微生物生长代谢时产生VOCs的临床研究中，其种类与数量异质性均较大，可能原因包括：(1)不同的基因型、表型；(2)生长周期内不同的检测时间点；(3)不同的培养基类型；(4)患者病情程度、细菌数量、机体反应不同；(5)不同的检测仪器与方法。将来呼出气检测需







































北京白癜风专科医院
北京治白癜风