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(guò)程密切相關(guān)，通過(guò)呼氣檢測(cè)肺癌以及其他疾病的研究已成為熱點(diǎn)。 由于呼氣檢測(cè)方法具有非侵入性、無(wú)痛苦、不昂貴等優(yōu)點(diǎn)，有望成為檢測(cè)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(guò)程密切相關(guān)，通過(guò)呼氣檢測(cè)肺癌以及其他疾病

2、的研究已成為熱點(diǎn)。由于呼氣檢測(cè)方法具有非侵入性、無(wú)痛苦、不昂貴等優(yōu)點(diǎn)，有望成為檢測(cè)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(cè)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(wèn)題和未來(lái)的應(yīng)用前景。它通過(guò)檢測(cè)人體呼氣中的揮發(fā)性有機(jī)物(volatileor-ganiccompounds，VOCs)的成分及含量來(lái)判斷人體新陳代謝過(guò)程以及機(jī)體生理病理情況。近年來(lái)，隨著痕量VOCs檢測(cè)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?，F(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(cè)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(wèn)題和未來(lái)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(lái)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(guò)肺部吸入或通過(guò)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(guò)程密切相關(guān)。為了解內(nèi)源性VOCs的新陳代謝過(guò)程，部分研究小組對(duì)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(dòng)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(duì)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(cè)，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(yùn)送至肺部，通過(guò)氣體交換進(jìn)入肺泡而出現(xiàn)在呼氣中。Dengetal對(duì)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(duì)照者的高。通過(guò)將患者呼氣中的VOCs與血液中的VOCs對(duì)比證明呼氣中的己醛和庚醛來(lái)自于血液中，這也說(shuō)明使用呼氣

5、檢測(cè)來(lái)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(huì)造成呼氣中VOCs濃度的改變。因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(huì)受到飲食狀況影響。例如，飲用含糖飲料2h后，乙醇濃度會(huì)明顯升高。食用大蒜24h后，丙酮的濃度范圍從原來(lái)的1.8ppm上升到5ppm。這就要求所有被測(cè)在采樣前一段時(shí)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(bào)ActaUniversitatisMedicinalisAnhui2012Jul;47食品。呼氣中的VOCs濃度

6、也會(huì)受到吸煙影響。香煙燃燒時(shí)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(guò)程和脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)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(duì)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(duì)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?；加衅渌膊∮绕涫欠尾考膊《紩?huì)引起呼氣中的VOCs濃度的改變。Mazzoneetal對(duì)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(duì)比研究。因此，有必要對(duì)其他肺部疾病進(jìn)行分類研究。此外，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡

7、量減少周圍環(huán)境空氣中VOCs對(duì)結(jié)果的影響，一般要求所有被測(cè)者在特定房間休息1060min后再進(jìn)行呼氣采樣。也可以通過(guò)讓患者或志愿者呼氣前吸入純凈的空氣來(lái)消除空氣中的VOCs。Pengetal使用VOCs過(guò)濾器，可以過(guò)濾吸入中99.99%的VOCs。另外，采樣過(guò)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(lái)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?jī)?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(wú)需額外的設(shè)備，但呼氣的濃度低于肺泡氣體的真實(shí)濃度，可以通過(guò)測(cè)定空氣環(huán)境或吸入氣體物質(zhì)濃度，計(jì)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(méi)有考慮肺部對(duì)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(jí)時(shí)結(jié)果會(huì)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(fèi)時(shí)，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(cè)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(cè)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(lái)在呼氣檢測(cè)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(diǎn)，能夠同時(shí)對(duì)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(duì)照者的呼氣樣本作為研究對(duì)象，

10、通過(guò)計(jì)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(duì)照者的呼氣濃度低。認(rèn)為這是由于在癌變過(guò)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(guò)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(duì)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(wú)癥狀吸煙者以及50例非吸煙者呼氣中的VOCs進(jìn)行測(cè)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(duì)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(xiàng)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(duì)12例肺癌患者、12例吸煙者、12例健康對(duì)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(cè)。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(duì)照者之間沒(méi)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(duì)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(duì)40例NSCLC和38例健

12、康對(duì)照者呼氣中C3-C9直鏈醛進(jìn)行檢測(cè)。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(lái)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(duì)照組。而吸煙的肺癌患者的醛濃度全部高于健康對(duì)照。沒(méi)有將甲醛和乙醛包括在內(nèi)，主要是因?yàn)樗鼈兤毡榇嬖谟谑覂?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(shí)，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(guò)程。通過(guò)對(duì)肺癌患者和健康對(duì)照個(gè)體的呼氣進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)。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(cè)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(duì)220例肺癌患者以及441例健康對(duì)照者的呼氣進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)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(jué)系統(tǒng)。大部分傳感器是通過(guò)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(dòng)或顏色變化來(lái)識(shí)別不同的氣體成分。由于其無(wú)需對(duì)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(diǎn)而廣泛用于呼氣檢測(cè)。Pengetal使用金納米粒子傳感器結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)成功區(qū)分了肺癌患者及健康對(duì)照者。這種方法具有不需要除濕以及預(yù)富集的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)使用固相微萃取結(jié)合GC-MS技術(shù)對(duì)40例肺癌患者以及56例健康對(duì)照者的呼氣進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)照者的呼氣，模擬肺癌氣體與模擬健康氣體沒(méi)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(shí)際呼氣中。說(shuō)明模擬呼氣方法能夠很好的提高并檢驗(yàn)傳感器的性能的研究也證明了當(dāng)向健康對(duì)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(shí)，人為改變的呼氣非?？拷】祵?duì)照者但有向肺癌組移動(dòng)趨勢(shì)。以

15、上分析技術(shù)都具有非侵入性、無(wú)痛苦、不昂貴等優(yōu)點(diǎn)。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(duì)樣本進(jìn)行富集，且不能對(duì)呼氣進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。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(gè)化合物相互重疊在一起。電子鼻則不能探測(cè)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(guò)程。同時(shí)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(duì)較小，上述分析技術(shù)所得出的結(jié)論不盡相同。但這也說(shuō)明了肺癌患者與健康對(duì)照者之間在呼出VOCs成分及含量上確實(shí)存在著差異。這就需要在擴(kuò)大被測(cè)人數(shù)以排除個(gè)體差異的基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)化采樣方式及采樣過(guò)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(duì)相應(yīng)的肺癌