李小雯 鄭松柏復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院消化內(nèi)科(200040)

結(jié)直腸癌(colorectal cancer, CRC)是全球第三大最常見(jiàn)的腫瘤，也是導(dǎo)致腫瘤相關(guān)死亡的第四大原因[1]。早期CRC的5年生存率可達(dá)90%，但僅40%的患者發(fā)現(xiàn)時(shí)處于早期，進(jìn)展期CRC的生存率明顯降低。由于CRC通常由良性息肉等局灶性病變發(fā)展而來(lái)，涉及一系列遺傳、組織學(xué)和形態(tài)學(xué)變化，因而具有可識(shí)別的癌前病變，故篩查是在人群水平上減少惡性腫瘤負(fù)擔(dān)的有效方法，可降低CRC相關(guān)的發(fā)病率和死亡率[2-3]。

一、目前常用的CRC篩查方法

目前臨床有效的CRC篩查策略包括糞便隱血試驗(yàn)(FOBT)、結(jié)腸鏡、癌胚抗原(CEA)和影像學(xué)檢查。結(jié)腸鏡是診斷CRC的金標(biāo)準(zhǔn)，但其為一種有創(chuàng)性檢查，相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)包括出血、穿孔等，且大規(guī)模應(yīng)用容易造成資源浪費(fèi)。FOBT是最常見(jiàn)的篩查方法，但特異性和敏感性均較低。結(jié)腸CT檢查對(duì)小的、平坦的和(或)鋸齒狀病變的敏感性較低，且患者暴露于電離輻射，成本較高。目前基于外周血的腫瘤標(biāo)志物篩選試驗(yàn)在臨床上得到普遍應(yīng)用。一項(xiàng)meta分析納入了156項(xiàng)研究對(duì)CEA、CA19-9和CA125診斷CRC的敏感性和特異性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示CEA的診斷效能優(yōu)于CA19-9和CA125，但其整體敏感性?xún)H為53%，特異性86%[4]。因此，CEA并非是理想的診斷腫瘤的標(biāo)志物。

二、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)在CRC篩查中的應(yīng)用

VOCs是一種以氣態(tài)碳為基礎(chǔ)的新陳代謝物質(zhì)，存在于尿液、糞便和其他體液中，因操作簡(jiǎn)單、成本低廉而可能成為一種潛在的篩查早期惡性腫瘤的手段。VOCs的特征可反映健康狀況，甚至對(duì)CRC具有特異性。與FOBT相比，VOCs的依從性和敏感性更高，適用于大規(guī)模人群的CRC篩查。

CRC相關(guān)的VOCs可從患者的血液、尿液、糞便和呼氣中提取。Kim等[5]使用固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜(SPME-GC-MS)檢測(cè)30例CRC患者血漿樣本，結(jié)果顯示CRC患者5種VOCs與對(duì)照組相比有明顯差異。Westenbrink等[6]發(fā)現(xiàn)尿液中VOCs對(duì)CRC的敏感性為78%，特異性為79%。Bond等[7]分析了137例受試者的糞便VOCs，結(jié)果顯示聯(lián)合3種VOCs鑒別CRC的AUC為0.73。

三、呼氣中VOCs在CRC篩查中的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于CRC患者呼氣中VOCs的研究相對(duì)較少，且結(jié)果特異性差異較明顯。Peng等[8]采用基于有機(jī)功能化金納米顆粒(GNPs)定制的14納米傳感器陣列和SPME-GC-MS對(duì)26例CRC患者和22名健康對(duì)照者的呼吸樣本進(jìn)行分析，結(jié)果顯示GNPs對(duì)CRC患者具有較高的鑒別能力，而GC-MS識(shí)別CRC患者的敏感性約30%。Altomare等[9]使用GC-MS技術(shù)確定了CRC患者呼吸中可作為潛在生物學(xué)標(biāo)志物的15個(gè)VOCs，包括醛類(lèi)、烷類(lèi)和其他VOCs，其敏感性為86%，特異性為83%，準(zhǔn)確性達(dá)85%。Wang等[10]利用SPME-GC-MS發(fā)現(xiàn)CRC患者7種VOCs水平顯著高于健康人。Amal等[11]應(yīng)用GC-MS識(shí)別CRC患者和對(duì)照組中4種VOCs(分別為丙酮、乙酸乙酯、乙醇和4-甲基辛烷)，并利用傳感器進(jìn)行分析，結(jié)果顯示鑒別CRC的敏感性為85%，特異性為94%，準(zhǔn)確性為91%。一項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究[12]利用選擇性粒子流質(zhì)譜儀分析CRC患者呼氣中VOCs丙醛診斷CRC的效能，結(jié)果顯示敏感性為83.3%，特異性為84.7%。一項(xiàng)采用電子鼻技術(shù)檢測(cè)CRC的大樣本多中心研究[13]顯示，呼氣VOCs可作為檢測(cè)CRC和進(jìn)展期腺瘤的非侵入性生物學(xué)標(biāo)志物，鑒別CRC的敏感性為95%，特異性為64%，進(jìn)展期腺瘤的敏感性為79%，特異性為59%。

De Vietro等[14]發(fā)現(xiàn)CRC腫瘤組織和正常結(jié)腸黏膜產(chǎn)生相似的VOCs模式，但指紋不同；苯甲醛、苯乙基和吲哚在癌組織中的濃度與正常結(jié)腸黏膜相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Wang等[15]對(duì)SW620結(jié)直腸癌細(xì)胞和荷瘤小鼠中的VOCs進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示包括丙酮在內(nèi)的8種物質(zhì)的濃度隨腫瘤生長(zhǎng)而增加。與其他組別相比，SW620癌細(xì)胞組中9種物質(zhì)顯著升高。

上述研究結(jié)果未發(fā)現(xiàn)CRC中共同變化的VOCs，可能是由于樣本量較小且研究利用的分析平臺(tái)或?qū)嶒?yàn)程序不同所致，但最常見(jiàn)的化學(xué)類(lèi)代謝物為烷烴、醛類(lèi)或酮類(lèi)VOCs。后期仍需行進(jìn)一步的大樣本臨床試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)果的一致性。

四、呼氣中VOCs分子與CRC相關(guān)性機(jī)制

呼氣中VOCs的檢測(cè)是基于以下假設(shè)：病理過(guò)程的發(fā)生是由于癌細(xì)胞產(chǎn)生新的VOCs或濃度差異所導(dǎo)致的[16]。在癌癥初期，癌細(xì)胞創(chuàng)造的酸性環(huán)境使基底膜破裂，VOCs進(jìn)入血流。同時(shí)，酸性環(huán)境保護(hù)癌細(xì)胞不受免疫系統(tǒng)的影響而促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)。腫瘤生長(zhǎng)伴隨著基因改變，導(dǎo)致特定的VOCs分泌入血，可檢測(cè)特定的癌癥。據(jù)推測(cè)，VOCs首先從癌細(xì)胞釋放至血液，經(jīng)血液循環(huán)到達(dá)肺泡，最后隨著呼吸呼出[16]。

目前關(guān)于VOCs篩查CRC的研究均處于起步階段。既往研究發(fā)現(xiàn)了超過(guò)十種VOCs與CRC具有相關(guān)性。Altomare等[17]發(fā)現(xiàn)CRC患者在切除腫瘤后，呼氣中VOCs類(lèi)型發(fā)生改變，證實(shí)腫瘤代謝與呼氣中VOCs密切相關(guān)，但具體代謝機(jī)制目前尚未完全清楚，需行進(jìn)一步研究來(lái)證實(shí)。

越來(lái)越多的研究顯示多種腫瘤均可產(chǎn)生VOCs，因此對(duì)診斷CRC的特異性存在一定爭(zhēng)議。Bel’skaya等[18]對(duì)唾液VOCs診斷胃癌和CRC的潛能進(jìn)行分析，結(jié)果顯示唾液VOCs診斷癌癥的敏感性和特異性分別為95.7%和90.9%。聯(lián)合檢測(cè)甲醇診斷胃癌和CRC的敏感性分別為80.0%和92.3%，特異性均為100%。因此，對(duì)于腫瘤部位特異性的診斷可結(jié)合其他特異性VOCs，并可進(jìn)一步研究利用同位素示蹤以尋找CRC代謝相關(guān)的特異性VOCs分子。

五、VOCs分析平臺(tái)和相關(guān)技術(shù)

1. GC-MS：GC-MS是離線(xiàn)檢測(cè)人體呼氣的經(jīng)典方法，可結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)品的色譜分離時(shí)間和特征離子碎片對(duì)未知化合物進(jìn)行準(zhǔn)確的定性。多項(xiàng)研究[8-11]采用GC-MS檢測(cè)呼氣中VOCs，具有敏感性高、穩(wěn)定性良好、能準(zhǔn)確定性定量的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)提供樣本組成的定性和定量信息，該分析技術(shù)可識(shí)別CRC患者的代謝特征。

但GC-MS的成本高、可管理性差，尤其是處理原始樣品的耗時(shí)較長(zhǎng)，限制了其在常規(guī)大規(guī)模篩選中的應(yīng)用。SPME是基于采用涂有固定相的熔融石英纖維來(lái)吸附、富集樣品中的待測(cè)物質(zhì)，集萃取、濃縮、解析、進(jìn)樣于一體，操作簡(jiǎn)便，功能多樣，萃取快捷且可在線(xiàn)和活體取樣，與GC-MS聯(lián)用大大縮短了樣品分析時(shí)間。三項(xiàng)研究[5,8,11]采用了SPME技術(shù)。

2. 選擇離子流動(dòng)管質(zhì)譜儀(SIFT-MS)：SIFT-MS是一種定量質(zhì)譜技術(shù)，可實(shí)時(shí)測(cè)量潮濕空氣樣品中痕量氣體分子的濃度。SIFT-MS使用超軟、控制的化學(xué)電離反應(yīng)配上優(yōu)良的質(zhì)譜技術(shù)，可快速定量分析濃度低至ppb級(jí)別的VOCs，相較于傳統(tǒng)GC-MS可快速獲取結(jié)果，敏感性更高。Markar等[12]的研究采用該技術(shù)。

3. 基于人工智能傳感器的電子鼻技術(shù)：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，基于陣列傳感器和人工智能處理算法的電子鼻系統(tǒng)逐步用于醫(yī)療診斷中，通過(guò)對(duì)人呼氣中生物學(xué)標(biāo)志物的檢測(cè)，可對(duì)身體健康狀況進(jìn)行判斷，具有客觀性強(qiáng)、無(wú)創(chuàng)傷、操作簡(jiǎn)單快捷、成本低等優(yōu)點(diǎn)，有利于無(wú)創(chuàng)診斷技術(shù)的推廣和應(yīng)用。由多個(gè)具有交叉靈敏特性的氣體傳感器組成的傳感器陣列并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法形成的人工嗅覺(jué)系統(tǒng)，可對(duì)復(fù)雜氣體中的成分進(jìn)行定性或定量分析，但該技術(shù)需要大量氣體樣品對(duì)傳感器陣列進(jìn)行標(biāo)定，且為了獲得較高的檢測(cè)精度需依賴(lài)后臺(tái)運(yùn)行和特定服務(wù)器的高性能人工智能算法，人工智能算法的基礎(chǔ)仍是樣本量足夠、可靠性高的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合。多項(xiàng)研究[8,10,13]采用了電子鼻技術(shù)，能在VOCs化學(xué)類(lèi)存在的情況下產(chǎn)生電流響應(yīng)，給出定性的非特異性響應(yīng)。與人類(lèi)的嗅覺(jué)相同，電子鼻能探測(cè)到不同化學(xué)類(lèi)別的混合物，如烷烴、醇類(lèi)和芳香族化合物。與GC-MS相比，電子鼻技術(shù)執(zhí)行更快、更簡(jiǎn)便，并可使用模式識(shí)別來(lái)識(shí)別特定的狀態(tài)。

六、討論與展望

CRC患者存在相關(guān)的代謝組學(xué)紊亂，VOCs分析可作為癌癥指紋檢測(cè)，具有良好的可靠性，敏感性為30%～94%，特異性60%～94%。雖然各研究得出的結(jié)果不盡相同，但多項(xiàng)研究仍提示某些烷烴、醛類(lèi)或酮類(lèi)VOCs具有較好的鑒定能力。未來(lái)需行進(jìn)一步的大樣本臨床試驗(yàn)和更深入的代謝機(jī)制研究尋找更特異的診斷CRC的VOCs。

目前電子鼻有望作為一種更快、更可靠的癌癥篩查工具，但并不能識(shí)別任何特定的CRC生物學(xué)標(biāo)志物。將GC-MS分析和電子鼻技術(shù)結(jié)合起來(lái)，建立一個(gè)配備傳感器的專(zhuān)用電子鼻，能檢測(cè)特定化合物或類(lèi)VOCs。

最后關(guān)于CRC篩選的代謝組學(xué)方法的爭(zhēng)議是選擇用于VOCs分析的生物樣本類(lèi)型。選擇何種生物基質(zhì)進(jìn)行分析對(duì)提高患者對(duì)篩查方案的依從性至關(guān)重要。與尿液和呼氣收集相比，血液收集是有創(chuàng)的。此外，尿液、糞便和血液需經(jīng)過(guò)處理，在收集后的數(shù)小時(shí)內(nèi)儲(chǔ)存，然后解凍和加熱，以獲得可供分析的頂部空間。而呼氣無(wú)需在分析前進(jìn)行預(yù)處理，易于無(wú)創(chuàng)采集，成本低。目前VOCs分析CRC研究例數(shù)較少，不同的分析平臺(tái)和使用的生物材料可能導(dǎo)致了不同的VOCs模式，這意味著不同研究的結(jié)果是不可比較的。應(yīng)鼓勵(lì)開(kāi)展確定迄今未知的涉及CRC產(chǎn)生的VOCs分子及其相關(guān)機(jī)制的研究。