肺癌的呼氣診斷方法研究進(jìn)展

1、肺癌的呼氣診斷方法研究進(jìn)展    2012-08-28     論文導(dǎo)讀:目前診斷肺癌的常規(guī)方法難以診斷早期肺癌，不能有效提高5年存活率。呼氣中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)與人體新陳代謝過程密切相關(guān)，通過呼氣檢測肺癌以及其他疾病的研究已成為熱點。 由于呼氣檢測方法具有非侵入性、無痛苦、不昂貴等優(yōu)點，有望成為檢測早期肺癌的新.    目前診斷肺癌的常規(guī)方法難以診斷早期肺癌，不能有效提高5年存活率。呼氣中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)與人體新陳代謝過程密切相關(guān)，通過呼氣檢測肺癌以及其他疾病

2、的研究已成為熱點。由于呼氣檢測方法具有非侵入性、無痛苦、不昂貴等優(yōu)點，有望成為檢測早期肺癌的新方法。本文綜述了呼氣中的VOCs與人體新陳代謝的關(guān)系、影響人體呼氣中VOCs濃度的因素、呼氣采集方法以及呼氣檢測肺癌的分析技術(shù)研究進(jìn)展。探討了呼氣診斷早期肺癌仍存在的問題和未來的應(yīng)用前景。它通過檢測人體呼氣中的揮發(fā)性有機(jī)物(volatileor-ganiccompounds，VOCs)的成分及含量來判斷人體新陳代謝過程以及機(jī)體生理病理情況。近年來，隨著痕量VOCs檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，呼氣診斷肺癌的相關(guān)研究得以深入開展。現(xiàn)闡述呼氣中的VOCs與人體新陳代謝的關(guān)系、影響人體呼氣中VOCs濃度的因素、呼氣樣

3、本采集方法以及呼氣檢測肺癌的分析技術(shù)研究進(jìn)展，探討診斷早期肺癌仍存在的問題和未來的應(yīng)用前景。呼氣中的VOCs與人體新陳代謝的關(guān)系人呼氣中除了包含空氣中大量存在的N2、O2、CO2、水蒸氣以及少量的惰性氣體外，還包含以微量形式存在的VOCs。根據(jù)VOCs的來源不同將其分為外源性VOCs和內(nèi)源性VOCs。外源性VOCs是指通過肺部吸入或通過皮膚吸收而出現(xiàn)在呼氣中的VOCs。內(nèi)源性VOCs的產(chǎn)生則與人體新陳代謝過程密切相關(guān)。為了解內(nèi)源性VOCs的新陳代謝過程，部分研究小組對體外培養(yǎng)的肺癌細(xì)胞所產(chǎn)生的VOCs及肺癌患者血液中的VOCs進(jìn)行研究。Smithetal使用選擇離子流動管質(zhì)譜分析技術(shù)(SIFT

4、-MS)研究發(fā)現(xiàn)乙醛的濃度與肺癌細(xì)胞的數(shù)量成正比。Chenetal利用氣相色譜質(zhì)譜技術(shù)(GC-MS)對4種不同的肺癌細(xì)胞(包括鱗狀細(xì)胞癌、腺癌、細(xì)支氣管肺泡癌和非小細(xì)胞癌)以及4種正常細(xì)胞(包括味蕾細(xì)胞、成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和支氣管上皮細(xì)胞)的頂空氣體進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)4種特別的VOCs僅存在于所有肺癌細(xì)胞的頂空氣體中。肺癌細(xì)胞新陳代謝的部分產(chǎn)物可經(jīng)由血液運送至肺部，通過氣體交換進(jìn)入肺泡而出現(xiàn)在呼氣中。Dengetal對肺癌患者血液中的VOCs進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)患者血液中的己醛和庚醛濃度比健康對照者的高。通過將患者呼氣中的VOCs與血液中的VOCs對比證明呼氣中的己醛和庚醛來自于血液中，這也說明使用呼氣

5、檢測來篩查肺癌是可行的。影響人體呼氣中VOCs濃度的因素人體呼氣中的VOCs濃度不僅受肺癌單一因素影響，飲食狀況、吸煙與否、是否患有其他疾病以及環(huán)境中的VOCs都會造成呼氣中VOCs濃度的改變。因此在實驗過程中，應(yīng)盡量避免非疾病因素所造成的濃度改變。呼氣中的VOCs濃度會受到飲食狀況影響。例如，飲用含糖飲料2h后，乙醇濃度會明顯升高。食用大蒜24h后，丙酮的濃度范圍從原來的1.8ppm上升到5ppm。這就要求所有被測在采樣前一段時間內(nèi)不得進(jìn)食且此前不得食用有辛辣味道的安徽醫(yī)科大學(xué)學(xué)報ActaUniversitatisMedicinalisAnhui2012Jul;47食品。呼氣中的VOCs濃度

6、也會受到吸煙影響。香煙燃燒時釋放出許多有害氣體和致癌物質(zhì)，這些有機(jī)物不僅殘留于人體的呼氣中，還加速了細(xì)胞的氧化應(yīng)激過程和脂質(zhì)過氧化過程，從而改變?nèi)梭w內(nèi)VOCs新陳代謝情。Kischkeletal發(fā)現(xiàn)14種VOCs(主要是支鏈烴)在肺癌患者、吸煙者以及健康對照者之間存在明顯差異。因此應(yīng)該根據(jù)肺癌患者以及健康對照者不同吸煙情況進(jìn)行分類排除由吸煙引起的呼氣中VOCs濃度改變。患有其他疾病尤其是肺部疾病都會引起呼氣中的VOCs濃度的改變。Mazzoneetal對肺癌患者的呼氣與其他肺部疾病如慢性阻塞性肺病、結(jié)節(jié)病等肺部疾病患者的呼氣進(jìn)行對比研究。因此，有必要對其他肺部疾病進(jìn)行分類研究。此外，實驗中應(yīng)盡

7、量減少周圍環(huán)境空氣中VOCs對結(jié)果的影響，一般要求所有被測者在特定房間休息1060min后再進(jìn)行呼氣采樣。也可以通過讓患者或志愿者呼氣前吸入純凈的空氣來消除空氣中的VOCs。Pengetal使用VOCs過濾器，可以過濾吸入中99.99%的VOCs。另外，采樣過程中使用鼻夾也能有效減少，進(jìn)入呼氣中的環(huán)境組分。呼氣樣氣采集目前有兩種方法用來采集呼氣，一種是混合呼氣采樣方式，另一種是肺泡采樣方式。如圖1所示，Phase為呼出的死腔氣體，不包括內(nèi)源性VOCs;Phase為呼出的肺泡氣體和空氣的混合物;Phase為純肺泡氣體，包括大量內(nèi)源性VOCs;混合呼氣采樣方式采集從Phase到Phase的所有氣體

8、，即包括死腔氣體在內(nèi)的所有氣體。采樣袋采樣就屬于混合呼氣采樣方式。這種方法易于操作、自主呼吸、無需額外的設(shè)備，但呼氣的濃度低于肺泡氣體的真實濃度，可以通過測定空氣環(huán)境或吸入氣體物質(zhì)濃度，計算“肺泡梯度”或者扣背景的方法糾正呼出濃度。但這些方法并沒有考慮肺部對VOCs吸收和釋放的影響。尤其是當(dāng)吸入VOCs濃度和呼出VOCs濃度在同一量級時結(jié)果會受到較大影響;肺泡采樣方式僅采集Phase的氣體，即采集純肺泡氣體。由于不存在死腔氣體稀釋，這種采樣方式獲得的呼氣濃度是混合呼氣采樣的23倍。而且肺泡呼氣采樣能夠把外界污染物干擾降到最低。這種方法是有效的，但繁瑣、費時，且不適用于常規(guī)診斷治療。圖1混合呼氣

9、采樣方式與肺泡采樣方法4呼氣檢測肺癌的分析技術(shù)及其研究結(jié)果目前應(yīng)用于呼氣輔助診斷肺癌的檢測技術(shù)主要有GC-MS、離子遷移譜(ionmobilityspectrometer，IMS)、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(protontransferreactionmassspectrometry，PTR-MS)和電子鼻等技術(shù)。下面將根據(jù)不同的分析方法概述近年來在呼氣檢測肺癌方面的研究結(jié)果。GC-MS技術(shù)及其研究結(jié)果GC-MS技術(shù)結(jié)合了氣相色譜和質(zhì)譜的優(yōu)點，能夠同時對樣品進(jìn)行色譜分離和質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集，并因其能夠?qū)魵膺M(jìn)行定性定量分析，而使用的最為廣泛。i以60例肺癌患者、108例胸透異常對照者的呼氣樣本作為研究對象，

10、通過計算22種VOCs的肺泡梯度發(fā)現(xiàn)肺癌患者呼氣中一些烷烴濃度比健康對照者的呼氣濃度低。認(rèn)為這是由于在癌變過程中，肺癌激發(fā)了細(xì)胞色素P450的活性，從而加速了VOCs分解代謝過程。Polietal的研究結(jié)果與Phillips的相反，他們利用固相微萃取(SPME)方法結(jié)合GC-MS技術(shù)對36例早期非小細(xì)胞肺癌患者(NSCLC)、25例慢性阻塞性肺病患者(COPD)、35例無癥狀吸煙者以及50例非吸煙者呼氣中的VOCs進(jìn)行測量。其中肺癌患者、慢性阻塞性肺病患者和吸煙者呼氣中的13種VOCs(7種脂肪族化合物和6種芳香族化合物)的濃度高于非吸煙者和室內(nèi)空氣。此外，對26例肺癌患者在摘除腫瘤前后進(jìn)行呼

11、氣采樣，發(fā)現(xiàn)異戊二烯、癸烷在切除手術(shù)后明顯減少。2010年的兩項研究結(jié)果表明，呼氣中醛類有機(jī)物的含量與患有肺癌密切相關(guān)。Fuchseta對12例肺癌患者、12例吸煙者、12例健康對照者呼氣中從甲醛(C1)到正癸醛(C10)10種醛類的含量進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示，乙醛、丙醛、丁醛、庚醛和癸醛的含量在肺癌患者和健康對照者之間沒有明顯差別。而肺癌患者呼氣中的戊醛、己醛、辛醛和壬醛明顯高于吸煙者和健康對照者。此外，小細(xì)胞肺癌患者呼氣中的己醛含量高于NSCLC患者，認(rèn)為是由于細(xì)胞在細(xì)胞增殖和代謝方面比其他腫瘤細(xì)胞更活躍導(dǎo)致小細(xì)胞肺癌患者呼氣中的乙醛濃度較高。同年P(guān)olieital對40例NSCLC和38例健

12、康對照者呼氣中C3-C9直鏈醛進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示呼氣中醛含量明顯高于外界環(huán)境中的醛含量，表明呼氣中的醛含量來自于人體新陳代謝本身。結(jié)果顯示，不吸煙的肺癌患者除丙醛外，其余醛的濃度都明顯高于健康對照組。而吸煙的肺癌患者的醛濃度全部高于健康對照。沒有將甲醛和乙醛包括在內(nèi)，主要是因為它們普遍存在于室內(nèi)和室外環(huán)境中，并且是煙草燃燒的產(chǎn)物。也有研究表明醛類是在活性氧進(jìn)攻膜結(jié)構(gòu)時，多不飽和脂肪酸發(fā)生氧化分解的產(chǎn)物。因此呼氣中的醛能夠反映人體的氧化應(yīng)激情況以及癌細(xì)胞的代謝過程。通過對肺癌患者和健康對照個體的呼氣進(jìn)行比對實驗。發(fā)現(xiàn)3種化合物的濃度存在明顯差異，它們的質(zhì)荷比分別是31、43、69。推測它們分別是

13、甲醛(2.3倍)、異丙醇(2.6倍)、異戊二烯(0.6倍)。此后，Bajtarevicetal對220例肺癌患者以及441例健康對照者的呼氣進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示，肺癌患者呼氣中的異戊二烯、丙酮、甲醇的含量略微低于健康對照者。電子鼻技術(shù)及其研究結(jié)果電子鼻的工作原理類似于人體的嗅覺系統(tǒng)。大部分傳感器是通過氣體吸附到其表面所引起的傳感器的導(dǎo)電性、質(zhì)量、振動或顏色變化來識別不同的氣體成分。由于其無需對樣品本身進(jìn)行處理，且具有快速、客觀、準(zhǔn)確、重復(fù)性好的特點而廣泛用于呼氣檢測。Pengetal使用金納米粒子傳感器結(jié)合圖像識別技術(shù)成功區(qū)分了肺癌患者及健康對照者。這種方法具有不需要除濕以及預(yù)富集的優(yōu)點，而且這

14、種金納米粒子傳感器不受性別、年齡以及是否吸煙的影響。與此同時使用固相微萃取結(jié)合GC-MS技術(shù)對40例肺癌患者以及56例健康對照者的呼氣進(jìn)行檢測，確定了氣體中42種有機(jī)物作為肺癌標(biāo)志物。根據(jù)GC-MS的結(jié)果選擇不同濃度的乙苯、十一烷、4甲基辛烷、2，3，4-三甲基正己烷模擬肺癌患者以及健康對照者的呼氣，模擬肺癌氣體與模擬健康氣體沒有相互重疊部分，并且模擬肺癌氣體和模擬健康呼氣完全包含在相應(yīng)的實際呼氣中。說明模擬呼氣方法能夠很好的提高并檢驗傳感器的性能的研究也證明了當(dāng)向健康對照者的呼氣中加入單一或者混合癌癥標(biāo)志物(苯胺、鄰甲苯胺、環(huán)戊烷)時，人為改變的呼氣非?？拷】祵φ照叩邢蚍伟┙M移動趨勢。以

15、上分析技術(shù)都具有非侵入性、無痛苦、不昂貴等優(yōu)點。但這幾種方法也存在各自的局限性，如GC-MS操作復(fù)雜，需要對樣本進(jìn)行富集，且不能對呼氣進(jìn)行實時在線監(jiān)測。PTR-MS在辨認(rèn)化合物上不能100%確定化合物，而且有可能幾個化合物相互重疊在一起。電子鼻則不能探測到所有可能的肺癌標(biāo)志物，這阻礙了進(jìn)一步研究肺癌的生理病理過程。同時由于缺少采樣、分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以及樣本量相對較小，上述分析技術(shù)所得出的結(jié)論不盡相同。但這也說明了肺癌患者與健康對照者之間在呼出VOCs成分及含量上確實存在著差異。這就需要在擴(kuò)大被測人數(shù)以排除個體差異的基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)化采樣方式及采樣過程，在研究初期使用GC-MS獲得探尋準(zhǔn)確的肺癌標(biāo)志物，而后使用PTR-MS技術(shù)或電子鼻技術(shù)對相應(yīng)的肺癌