佟洪雙　王常松

[摘要] 分析呼出氣體、血液、汗液、尿液、唾液、胸腔積液、腦脊液、糞便等揮發(fā)性有機(jī)化合物是最新發(fā)展起來用于評估健康狀況、疾病篩查和診斷的一種方法。近幾年來，這種方法因其非侵入性、快速、操作簡單方便、廉價以及患者良好的耐受性等優(yōu)點(diǎn)，不但引起越來越多研究者的注意，而且擴(kuò)展了新的研究領(lǐng)域。目前，肺癌呼出氣、血液、尿液等代謝組學(xué)的研究表明烷烴、芳香烴、含氧有機(jī)化合物具有一定診斷價值，并在各種癌癥中已經(jīng)確定和某些特殊的揮發(fā)性有機(jī)化合物之間存在聯(lián)系。

[關(guān)鍵詞] 揮發(fā)性有機(jī)代謝物；生物標(biāo)志物；生物體液

[中圖分類號] R503 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）07（a）-0043-04

[Abstract] Analysis of volatile organic compounds in exhaled breath， blood， sweat， urine， saliva， pleural effusion， cerebrospinal fluid， stool is a new method that was used for the assessment of health status， disease screening and diagnosis. In recent years， this method has the advantages of non-invasive， rapid， convenient operation， cheap and patients with good tolerance. The analysis of volatile organic compounds has attracted more and more attention of researchers and expanded a new research field. At present， the metabolomics research of lung cancer in exhaled breath， blood and urine show that alkanes， aromatic hydrocarbons， oxy-compound has a certain diagnostic value. There is also a link between identified various types of cancer and some special volatile organic compounds.

[Key words] Volatile organic compounds； Biomarkers； Biological fluids

目前使用揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）分析來診斷疾病的方法已經(jīng)被廣泛研究。呼出氣、血液和尿液VOCs分析已經(jīng)應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域，如毒理學(xué)、司法學(xué)、生物化學(xué)以及包括癌癥的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但是VOCs分析各種不同的生物體液有很多種方法，被廣泛研究的是固相微萃?。⊿PME）聯(lián)合氣相色譜-質(zhì)譜分析（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）方法。本綜述是通過幾種不同分析方法來論述不同生物體液產(chǎn)生特定的VOCs以及和疾病之間的關(guān)系。

1 VOCs分析的緣起及發(fā)展

早在古希臘內(nèi)科醫(yī)生就已發(fā)現(xiàn)人類呼出的氣味能為疾病診斷提供線索。1971年諾貝爾獎獲得者Laureate Linus和同事首次提出代謝組學(xué)揮發(fā)性物質(zhì)部分的分析，命名為Volatome。他描述了正常人呼出氣以及尿液中大約有250到280種揮發(fā)性物質(zhì)[1]。1989年Williams和Pembroke證實(shí)了嗅探犬經(jīng)過訓(xùn)練后能發(fā)現(xiàn)黑色素瘤的患者，表明惡性腫瘤中存在“特殊氣味”[2]。隨后其他幾項(xiàng)研究證實(shí)了某種特殊VOC和各種癌癥之間的關(guān)系，例如肺癌[3]、肝癌[4]、乳腺癌[5]和結(jié)直腸癌[6-8]。

2 人體內(nèi)VOCs的產(chǎn)生與代謝

人體內(nèi)源性VOCs是由癌細(xì)胞和組織進(jìn)行新陳代謝和氧化應(yīng)激產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，反映機(jī)體內(nèi)炎癥、壞死、癌癥變性、微生物群以及內(nèi)環(huán)境的變化，其存在與含量可以反映人體健康情況。同時也受外部因素的影響，如環(huán)境、藥物等[2]。研究顯示導(dǎo)致VOCs降解加速是肺癌患者體內(nèi)細(xì)胞色素P450系統(tǒng)被激活，這些代謝產(chǎn)物在水中溶解度很低，而有些釋放于血液中，經(jīng)過血液循環(huán)到達(dá)肺泡或者腎小管，最終隨呼出氣或尿液被排出體外[2]。腸道VOCs是結(jié)腸內(nèi)細(xì)菌經(jīng)過非淀粉多糖發(fā)酵產(chǎn)生，代表小腸細(xì)胞、腸道微生物群和入侵病原體復(fù)雜的相互作用，可在糞便及尿液中被檢測到[9]。這些VOCs產(chǎn)生后可以以氣相的形式在呼出氣體、血液、汗液、尿液、糞便、腦脊液以及母乳中被檢測到。

2.1 唾液VOCs分析

唾液中VOCs可作為疾病、生理狀態(tài)和從事職業(yè)的生物標(biāo)志物。人類口腔中有大約700種細(xì)菌和微生物定植，這些微生物所釋放的VOCs主要有揮發(fā)性硫化物（volatile sulfur compounds，VSC）、吲哚（indole）、酚（phenol）、脂肪胺（aliphatic amines）等[10-12]。外源性化合物來源于化妝品、香水、洗滌劑、煙草和大氣污染物。有研究通過GC-MS分析唾液中VOC鑒別與疾病相關(guān)的標(biāo)志物，如二甲基硫（dimethyl disulfide）、苯乙烯（styrene）和甲基叔丁基醚（methyl tert-butyl ether）[13-14]，與肺癌有關(guān)的VOCs，如苯甲酮（benzophenone）和反式石竹烯（trans-caryophyllene）[15-16]。Kostelc等[17]分析17個受試者（3名男性和14名女性）由刺激產(chǎn)生的全唾液酸化合物。他們發(fā)現(xiàn)了超過30種化合物，主要是醇/酚類和脂肪族和芳族烴。但是其中至少11種揮發(fā)物是外源性的。其中辛醇（2-ethyl-1-hexanol）是塑化劑，而二丁基羥基甲苯（butylatedhydroxytoluene，BHT）是一種常用的抗氧化劑。而十四酸異丙酯（isopropyl tetradecanoate）和棕櫚酸異丙酯（isopropyl hexadecanoate）這兩種脂肪酸酯可能來源于化妝品制劑。四氯乙烯（Tetrachloroethylene）可能來源于環(huán)境中的空氣或生活飲用水。烯丙基異硫氰酸酯（allylisothiocyanate）的存在可能與飲食有關(guān)，因?yàn)樗饕墙婺┑闹饕煞帧Ｈ扇℉exanal）和己醛（nonanal）是氧化應(yīng)激的標(biāo)志物，口腔微生物群活動可能產(chǎn)生2，3-丁二酮（2，3-butanedione）、2，3-戊二酮（2，3-pentanedione）、苯酚（phenol）、吡咯（pyrrole）、吲哚（indole）和二甲基二硫醚（dimethyl disulfide）等VOCs。唾液幾乎完全是水溶性物質(zhì)，VOCs濃度比血液或尿液低?！靶迈r”唾液中的大部分VOCs主要來源于食品及口腔衛(wèi)生用品，這些外源性物質(zhì)可能阻礙尋找真正疾病的生物標(biāo)志物。只有幾個內(nèi)源性的唾液化合物可作為疾病的標(biāo)志物。如今，關(guān)于使用唾液VOCs分析來診斷疾病的方法已經(jīng)被質(zhì)疑，除了毒理學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。然而，口腔微生物定植細(xì)菌活性產(chǎn)物的研究可能為疾病的診斷提供更有價值的信息。

2.2 血液VOCs分析

從理論上講，低分子量VOCs質(zhì)譜分析可以通過血液的頂空萃取而鑒別。通過血培養(yǎng)瓶的頂空萃取等研究發(fā)現(xiàn)了特殊的VOCs，表明這些特殊的VOCs是由菌血癥患者的血液產(chǎn)生[18]。2006年Allardyce等[19]采用選擇性離子流質(zhì)譜分析人工感染5種細(xì)菌菌株的血液培養(yǎng)瓶，結(jié)果表明，微生物VOCs的檢測可能是一種敏感細(xì)菌檢測方法，即用來鑒定和測定抗生素在傳統(tǒng)血液培養(yǎng)系統(tǒng)中的敏感性。然而并沒有研究頂空尿細(xì)菌和陽性血培養(yǎng)物或血清微生物細(xì)胞培養(yǎng)物的頂空中發(fā)現(xiàn)這些化合物的相關(guān)性。在目前的研究中，大部分是應(yīng)用SPME與GC-MS用于肺癌的VOCs研究；頂空SPME（纖維涂層，提取溫度和提取時間）和解析條件是應(yīng)用于測定人體血液中的揮發(fā)物、尋找癌癥生物標(biāo)志物的最佳方法。Deng等[20-22]通過SPME和GC-MS法描述了肺癌患者正常樣品和樣品頂空中揮發(fā)性醛（aldehydes）的測定，認(rèn)為人類血液中的己醛（Hexanal）和庚醛（heptanal）是肺癌的潛在生物標(biāo)志物，同時通過呼出氣和血液中揮發(fā)物的比較，論證了己醛和庚醛起源于血液。類似的研究發(fā)現(xiàn)在吸煙者血液的頂空萃取檢測到乙腈（acetonitrile）水平升高[23]。

2.3 尿液VOCs分析

迄今為止，已經(jīng)從尿液中檢測到超過230種不同化學(xué)類型的VOCs，包括醛類、酮類、呋喃、吡咯、萜類和含硫化合物等[24-25]。由于尿液易于收集，如今已廣泛應(yīng)用于代謝組學(xué)研究領(lǐng)域，輔助探索病理進(jìn)程，例如先天性代謝疾病、糖尿病和多種癌癥。目前，尿液代謝組學(xué)的研究已經(jīng)應(yīng)用到乳腺癌[26]、結(jié)直腸癌[27]、食管癌[28]、胰腺癌[29]和肝癌[30]等疾病。Matsumura等[31]證實(shí)，尿液揮發(fā)性化合物可以應(yīng)用于肺癌的協(xié)助診斷。Zhang等[32]使用尿液代謝組學(xué)分析方法，對27例腎細(xì)胞癌患者、26例其他泌尿系統(tǒng)腫瘤患者和26名正常人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果得到十四種代謝產(chǎn)物。腎細(xì)胞癌患者尿液中含有機(jī)酸、馬尿酸、色氨酸及其降解產(chǎn)物，其中戊酸（pentanoic acid）、丙二酸（malonic acid）、戊二酸（glutaric acid）、己二酸（adipic acid）、吲哚乙酸（indoleacetic acid）、氨基喹啉（aminoquinoline）、喹啉（quinoline）及色氨酸（tryptophan）的濃度高于正常人；戊酸（pentanoic acid）、苯丙氨酸（phenylalanine）、6-甲氧基-硝基喹啉（6-methoxy-nitroquinoline）等濃度高于其他泌尿系統(tǒng)腫瘤患者。經(jīng)分析，這些代謝產(chǎn)物主要與脂肪代謝、氨基酸代謝，以及能量傳遞途徑有關(guān)。因此需要對這些代謝產(chǎn)物及其參與的代謝途徑進(jìn)行深入的研究，以發(fā)現(xiàn)具有診斷腎細(xì)胞癌的特異性生物標(biāo)志物。

2.4 胸腔積液VOCs分析

胸腔積液與肺部疾病關(guān)系密切。與肺部疾病相關(guān)蛋白的改變、細(xì)胞功能異常通過與控制代謝的酶或核酸相結(jié)合而引起胸腔積液中內(nèi)源代謝物比例、濃度等方面發(fā)生的變化可以區(qū)分肺癌和肺部炎癥。SPME結(jié)合GC/MS是一種簡單、快速、靈敏和無溶劑法測定胸腔積液中的VOC。Liu等[33]通過質(zhì)譜儀定量比較胸腔積液樣品中揮發(fā)性代謝物（VOMs）化學(xué)類別的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)肺癌患者胸腔積液樣品中主要的代謝物為醇類（alcohols）、酮類（ketones）和苯系衍生物（benzene derivatives），而良性對照組胸腔積液中主要為酮類（ketones）、酯類（terpenoids）和苯系衍生物（benzene derivatives），通過篩選得到肺癌組和良性組間的差異性代謝化合物分別為環(huán)己酮（cyclohexanone）和2-乙基-1-己醇（2-ethyl-1-hexanol）。這些化合物是否適合肺癌生物標(biāo)志物仍然需要進(jìn)一步研究，另一方面，環(huán)己酮和2-乙基-1-己醇可能來源于內(nèi)源性生化途徑，這兩種物質(zhì)在肺癌患者尿液生物標(biāo)志物中也被發(fā)現(xiàn)[34]。然而到目前為止，沒有研究比較良性和惡性胸膜之間胸腔積液VOCs的差異。

3 VOCs分析存在的問題

從生物學(xué)的角度看，人類的VOCs顯著改變可能受人類自身?xiàng)l件及環(huán)境影響。生理效應(yīng)能影響VOC濃度，因此也是疾病的VOCs生物標(biāo)志物的混雜因素。此外，來源于外源性的VOCs可以被吸收到體內(nèi)，從而影響身體內(nèi)的VOCs[35]。因此，在臨床研究中無法避免受到這些外部因素影響，甚至可能會導(dǎo)致錯誤的結(jié)論[36]。在臨床試驗(yàn)中，需要嚴(yán)格控制干預(yù)措施和規(guī)范對樣本的處理。VOCs的收集和分析，采用SPME與GC-MS等其他方法均可以影響標(biāo)志物的結(jié)果。

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（收稿日期：2017-02-28 本文編輯：張瑜杰）