【代谢|呼气检测：从辨味识病到代谢组分析的标准化之路|标准化|诊断|】_

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本文作者：Patrick/奇迹之光蓝色彩虹
呼气检测起源辨味识病
第一个用于确定人类生理状态的呼吸分析起源于希波克拉底时期（公元前460-370年），当时古希腊医生意识到可以从患者呼吸的特征气味中诊断出某些疾病，并且知道人的呼吸可能会提供有关健康状况的健全信息。在后来的医学实践中，医生能够很容易分辨出糖尿病患者、晚期肝病患者、肾衰竭患者和肺脓肿患者呼吸中的“水果味”（丙酮）、“霉味”、“鱼腥味”、“尿味”和“腐臭味”[1] 。对呼出气中存在的VOCs的分析可以提供患者病理生理状况的宝贵信息，这些化合物是各种疾病和代谢活动的潜在诊断生物标志物。
代谢|呼气检测：从辨味识病到代谢组分析的标准化之路
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图一呼出气成分示意图，来源：Owlstonemedical.com
高精度分析质谱仪的出现
极大促进呼气检测科研发展
近代提出呼气代谢组学（breath metabolomics）的概念，当发生从健康状态到病理状态的转变时，人体呼气中的挥发性有机物( volatile organic compounds ， VOCs)分布将被改变，并且可以被检测到并用于诊断和监测。从1970年代Pauling团队使用气相色谱仪（GC）检测人类呼吸中200多种VOCs之后，越来越多科研团队在研究呼气代谢组学。
代谢|呼气检测：从辨味识病到代谢组分析的标准化之路
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图二 1980~2015年间呼出气VOCs发表文章数统计，来源：breath biopsy complete guide
呼气中挥发性有机化合物的来源包括环境（称为外源性）、宿主（内源性）以及微生物组（居住于口腔、肺和肠道的微生物）。而宿主产生的VOCs是与临床疾病相关中研究最多的，用于诊断目的的呼气VOCs主要包括含：
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表一呼气VOCs的化合物分类[2]
呼气检测已经在临床应用，
更多检项仍待开发
在临床实践中已经建立了一些使用挥发性生物标志物的呼气检测。但由于寻找疾病生物标志物的研究之间缺乏可重复性， VOCs检测在临床应用中没有得到充分开发。
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表二已经实际使用的呼气检测项目，来源：Johns Hopkins medicine、奇迹之光整理
肿瘤和感染性疾病筛查诊断是
呼气检测未来的发展方向
在病理生理过程中，细胞代谢的改变会导致生化反应副产物VOCs的变化。包括缺氧、细胞过度增殖、过度的炎症和活性氧活性以及其他与癌症相关的病理机制都会导致局部和系统性VOCs的谱图和浓度发生明显变化。生物学家已提出了几种潜在的生化途径机制。例如，由于缺氧或炎性疾病，在癌症的微环境中的氧化应激有助于烷烃和甲基化烷烃的形成。癌症患者中细胞色素P450酶的过度活化可能会提高酒精水平。由局部缺氧引起的过度细胞增殖导致无氧呼吸，其中能量产生的糖酵解途径释放出酮和醇。
在众多研究中也发现在肺癌中呼气VOCs与体外细胞系中的VOCs部分重叠。表明除了癌细胞直接释放的VOC外，与疾病本身相关的继发性和/或全身性机制也会产生，这意味着VOCs作为标志物可以更全面的对人体生理病理状态做出判断[3] 。
现已知253种VOCs与不同肿瘤部位的癌症诊断有关，在大多数情况下，这些挥发性有机化合物主要是碳氢化合物（芳香族和脂肪族）和含氧化合物（即醛、醇、酚、羧酸、醚和呋喃），而含氮、硫和卤素的化合物较少。其中与癌症相关的最常见的是2-丁酮、1-丙醇、壬醛、异戊二烯、乙苯、4-甲基辛烷、3-羟基-2-丁酮、丙酮、甲苯、乙醇、戊醛、庚醛和戊烷等[4] 。