电子鼻技术检测人呼出气挥发性有机物的研究进展_陈雨璐.pdf

www.ChinaAET.com健康医疗微电子Microelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆电子鼻技术检测人呼出气挥发性有机物的研究进展*陈雨璐，张丞源，郑雨澄，徐可（武汉大学 生命科学学院，湖北 武汉 430072）摘 要：挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）不仅存在于人类生活环境中，也会在人体代谢过程中产生，人体产生的 VOCs 的种类和峰度与人体健康和疾病状态密切相关。近年来，通过无创检测的方式分析人体呼出气中 VOCs 的组分和浓度可以用来指示人体健康状态，在临床诊断和健康监测领域得到广泛关注。综述了呼出气 VOCs 的临床检测应用价值和常见检测方法，描述了各种方法的利弊。详细阐述了新型电子鼻技术给呼出气VOCs 检测带来的革命性进展，为呼出气 VOCs 的高灵敏、高通量、智能化检测带来了更多可能。关键词：挥发性有机化合物；呼出气分析；疾病诊断；电子鼻中图分类号：R446.1；TP212.3；R-05 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223587中文引用格式：陈雨璐，张丞源，郑雨澄，等.电子鼻技术检测人呼出气挥发性有机物的研究进展J.电子技术应用，2023，49(3)：2-10.英文引用格式：Chen Yulu，Zhang Chengyuan，Zheng Yucheng，et al.Research progress of electronic nose in detecting volatile organic compounds in human exhaled breathJ.Application of Electronic Technique，2023，49(3)：2-10.Research progress of electronic nose in detecting volatile organic compounds in human exhaled breathChen Yulu，Zhang Chengyuan，Zheng Yucheng，Xu Ke(College of Life Sciences，Wuhan University，Wuhan 430072，China)Abstract：Volatile Organic Compounds(VOCs)are not only present in the human living conditions,but also can be produced in the process of human metabolism.The types and kurtosis of VOCs produced by the human body are closely related to human health and disease status.In recent years,analyzing VOCs components and concentration in human exhaled breath through non-invasive detection can be used to indicate human health status,which has been widely concerned in the field of clinical diagnosis and health monitoring.This paper reviews the clinical application value and common detection methods of exhaled VOCs,and elucidates pros and cons of each method.In this paper,the revolutionary progress brought by the new electronic nose technology to the detection of exhaled VOCs is described,which brings more possibilities for the high sensitivity,high throughput and intelligent detection of exhaled VOCs.Key words：volatile organic compounds；exhaled breath analysis；disease diagnosis；electronic nose0 引言挥 发 性 有 机 化 合 物（Volatile Organic Compounds,VOCs）不仅存在于人类生活环境中，也可由生命体代谢活动产生。人类呼出气中的 VOCs 种类、含量虽然在个体之间存在差异，但某些烃类、烃类衍生物、苯衍生物的异常变化被报道可作为信号用于区分疾病和健康状态，或指示机体代谢状态。本文综述了呼出气 VOCs 检测在指示人类健康状态应用领域的意义、方法和最新技术进展，详细介绍了新型电子鼻技术在 VOCs 临床检测应用的若干实例。1 研究背景1.1 VOCs 的种类据世界卫生组织的定义，VOCs 指常温下沸点界于50260之间的各种有机化合物1。VOCs 可存在于人类生活环境中，也可由生命体生理代谢活动产生，广泛存在于人体代谢物（呼出气体、粪便和尿液等）中。2014 年，英国西英格兰大学 Costello 等人首次从健康人群的呼出气和其他体液中确定了 1 840 种 VOCs2，其中*基金项目：武汉市知识创新专项（基础研究）（2022020801010116）；武汉大学病毒学国家重点实验室开放课题（2022KF009）2健康医疗微电子电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Microelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆呼出气中含有 1 488 种 VOCs3。在人呼出气中检测出的 VOCs 种类数量关系为烃类呋喃、醚类含氮有机物酮类醇类酯类含卤素有机物醛类含硫有机物酸2。呼出气中含量最丰富的 VOCs 是异戊二烯和丙酮4。呼出气 VOCs 分为外源性和内源性两部分：外源性 VOCs 来自环境，通过呼吸道或消化道等途径进入人体；内源性 VOCs 可以是人体或病原体代谢过程的产物，也可以是宿主对感染或炎症等过程的病理反应性产物。呼出气检测技术是疾病诊断的新方法，分析呼出气的气体组分，结合代谢组学技术等进行疾病早筛、指示机体代谢状态具有较高的可靠性5。同时人呼出气中 VOCs种类、含量在个体间存在一定的差异，亦受到性别6、年龄6、生活习惯67以及生活环境等多因素的影响。1.2 呼出气 VOCs 的检测应用1.2.1 可用于疾病检测的特征性 VOCs呼吸道或身体其他部位的疾病诱导一系列内源性生化过程，包括脂质氧化产生的醛、烷烃，以及碳水化合物和脂肪酸代谢产生的酮，这些 VOCs 最终经人体呼出气排出。通过呼出气对人类疾病进行诊断的历史可追溯到上千年前古希腊医学之父 Hippocrates 首次在论文中描述了肝病性口臭4,8。20 世纪 70 年代以来，由于气相 色 谱-质 谱 技 术（Gas Chromatograph-Mass Spectrometer,GC-MS）可以定性定量分析易挥发的低分子量化合物，它 被 广 泛 用 于 鉴 定 受 试 者 呼 出 气 中 的 VOCs 的成分9。2018 年，德国罗斯托克大学医学中心 Selina Traxler团队通过 GC-MS 分析证实，猪被甲型 H1N1 流感感染后第 4 天的呼出气中乙醛、丙醛、乙酸正丙酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、（1，1）-二丙氧基丙烷的含量达到最大值，显著高于对照组（P0.01）10。上述特征 VOCs 的浓度趋势与鼻拭子中病毒载量浓度趋势一致，可用于指示感染状态10。研究人员推测第 4 天呼出气中乙醛浓度的升高可能与流感病毒感染造成气道炎症有关，或由病毒与上呼吸道菌群的相互作用产生。而丙醛浓度的升高，则与病毒感染引起脂质过氧化有关10。2018 年，奥地利因斯布鲁克医科大学 Alex Pizzini 团队通过热解吸气相色谱-飞行时间质谱仪分析患者呼吸样本发现，正丁烷、2-戊酮、环己酮和 4-庚酮的含量变化可用于鉴别处于急性加重期和稳定发作期的慢性肺阻塞（Chronic Obstructive Pulmonary Disease,COPD）患者11。急性加重期 COPD 患者肺泡中环己酮、2-戊酮和4-庚 酮 的 梯 度 水 平 显 著 高 于 稳 定 期 COPD 患 者（P0.05），正丁烷则表现出相反趋势（P0.001）11，相关的代谢来源和途径尚不明确，可能的来源是由 COPD 的病原体释放。该团队据此进行了群体分类测试，对受试者特征曲线（Receiver Operating Characteristic,ROC）进行分 析，预 选 的 4 种 VOCs 曲 线 下 面 积（Area Under the Curve,AUC）为 0.92，敏感性为 69%，特异性为 94%11，说明该模型用于分类不同严重程度的 COPD 患者具有可信度。2020 年，英国拉夫堡大学 Ruszkiewicz D M 等人的研 究 发 现，新 型 冠 状 病 毒 肺 炎（Corona Virus Disease 2019,COVID-19）区分于哮喘、细菌性肺炎等其他呼吸道疾病的特征性 VOCs 是醛类（乙醛、辛醛）、酮类（丙酮、丁酮）和甲醇12等分子，这可能有助于区分感染不同呼吸道疾病的患者，减少交叉感染。呼出气中的 VOCs 同样可应用于多种癌症的早筛。1999 年，美国 M Phillips 等人的研究显示，在 108 位胸片异常的患者中，22 种 VOCs 的组合（主要是烷烃、烷烃衍生物和苯衍生物）在肺癌患者呼出气中含量显著高于非肺癌患者（P0.0003），对于区分 1 期肺癌患者具有 100%的敏感性和 81.3%的特异性13。研究人员推测烷烃及其衍生物在肺癌患者呼出气含量增加的成因是，癌细胞中氧自由基活性增加，通过脂质过氧化降解细胞膜，将不饱和脂肪酸转化为挥发性烷烃，经由呼出气排出。2020 年，中国北京大学人民医院王培宇等人的研究指出，肺癌患者呼出气中乙烯、异戊二烯、己醛、庚醛的含量在术后 4 周较术前显著下降（P0.01），此类 VOCs 有望成为肺癌特异性呼出气标志物，应用于早期诊断和复发监测14。此外（2，5，6）-三甲基辛烷、1，4-二甲氧基-2，3-丁二醇和环己酮在乳腺癌患者呼出气中的含量相对于健康个体、乳腺纤维瘤患者或环乳腺病患者显著增加（P0.05），可作为癌症的潜在标志物15。2013 年，英国伦敦帝国理工学院 Sacheen Kumar 等人通过曼-惠特尼 U 检验（Mann-Whitney U test）发现，食管-胃癌患者组呼出气中己酸、苯酚、甲基苯酚和乙基苯酚四者中位浓度 高 于 阳 性 对 照 组（上 消 化 道 非 癌 症 疾 病 患 者）（P0.05）16。进一步对这 4 种 VOCs 的组合进行 ROC 分析，发现曲线 AUC 为 0.9116，说明这 4 种 VOCs 组合具有识别食管-胃癌患者的潜力。1.2.2 可反映机体代谢的特征性 VOCs一系列研究表明，某些特征性的 VOCs 与正常机体代谢和生理状态息息相关。在细胞代谢过程中由于基因或蛋白质的改变，引起细胞膜的氧化应激，从而产生特征性 VOCs，可以反映炎症、坏死和微生物群改变等多种代谢变化17。通过分析呼出气 VOCs 可以监测生活习惯、环境、运动、饮食、药物等因素造成的生理反应，指示机体代谢状况。2013 年，奥地利