劉靜莎，索 爽，高紅梅，陳文麗，陳 獻(xiàn)，張 曄，譚青海，谷 曄，張健鵬

人體呼出氣中總揮發(fā)性有機(jī)物水平與呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)性研究

劉靜莎1，索 爽2，高紅梅1，陳文麗1，陳 獻(xiàn)1，張 曄1，譚青海1，谷 曄1，張健鵬1

目的 探討人體呼出氣中總揮發(fā)性有機(jī)物（volatile organic conmpounds,VOCs）的濃度水平是否與疾病之間存在關(guān)聯(lián)，進(jìn)而指導(dǎo)疾病早期診斷。方法 選取武警某三甲醫(yī)院收治的100例呼吸系統(tǒng)疾病患者為觀察對(duì)象，分為4組：肺癌組（n=15）、肺炎組（n=55）、肺纖維化組（n=15）、慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary diseases,COPD）組（n=15）；同時(shí)選取我院81例健康醫(yī)護(hù)人員作為對(duì)照組。用光離子化探測(cè)器（photoionization detector，PID）測(cè)定所有對(duì)象呼出氣中總VOCs濃度（標(biāo)記為Pvoc）。結(jié)果 與健康對(duì)照組相比，肺癌組（Z=-2.523，P=0.012）、肺炎組（Z=-4.281，P＜0.001）、肺纖維化組（Z=-3.204，P=0.001）及COPD組（Z=-2.644，P=0.008）Pvoc 測(cè)定結(jié)果均明顯降低，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而肺癌組、肺炎組、肺纖維化組與COPD組之間Pvoc兩兩比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。結(jié)論 用PID測(cè)定人體呼出氣總VOCs濃度無(wú)助于對(duì)肺癌、肺炎、肺纖維化、COPD患者的診斷。

揮發(fā)性有機(jī)物；呼吸系統(tǒng)疾??；光離子化探測(cè)器

VOCs是常溫下以氣態(tài)形式存在于空氣中的可揮發(fā)性有機(jī)物的總稱。人體在生理代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生痕量的VOCs并經(jīng)呼出氣呼出。因呼出氣成分檢測(cè)的無(wú)創(chuàng)、便捷、高靈敏度及高特異性等特點(diǎn)，近年來(lái)，呼出氣分析已被認(rèn)為有可能成為一種安全便捷的疾病早期診斷方法[1]。目前，針對(duì)呼出氣VOCs的研究主要集中于對(duì)患者呼出氣中某一種或幾種VOCs的檢測(cè)分析。有研究顯示，正丁醇和3-羥基-2-丁酮可能是早期肺癌氣態(tài)標(biāo)志物[2]；吲哚、十一烷醇及丁基羥基甲苯分別是大腸桿菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯桿菌的特征性VOCs等[3]。然而，呼出氣研究大多存在著樣本量小、重復(fù)性差、檢測(cè)技術(shù)方法繁雜、標(biāo)準(zhǔn)和方法不統(tǒng)一等不足，因而與實(shí)際臨床應(yīng)用之間尚存在較大距離。迄今尚未見(jiàn)有關(guān)人體呼出氣中總VOCs濃度與疾病診斷的相關(guān)報(bào)道，本研究擬通過(guò)快速PID檢測(cè)技術(shù)對(duì)呼吸系統(tǒng)不同疾病患者呼出氣中總VOCs濃度進(jìn)行檢測(cè)分析，以探討呼出氣中總VOCs濃度與疾病之間是否存在關(guān)聯(lián)，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象 以2013-11至20 14-02，武警某三甲醫(yī)院呼吸內(nèi)科收治的100例呼吸系統(tǒng)疾病患者為觀察對(duì)象，根據(jù)疾病種類分為4組，其中肺癌組15例，肺炎組55例，肺纖維化組15例，COPD組15例。同時(shí)選取我院81名健康醫(yī)護(hù)人員作為對(duì)照組。所有對(duì)象年齡18～80歲，并均知情同意，其一般資料及納入、排除標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)器材 本研究所用的便攜式PID由美國(guó)RAE Systems公司提供，型號(hào)ppbRAE plus VOC，由主機(jī)（含傳感器及紫外線燈）、采樣管及水阱過(guò)濾器組成,是一種快速準(zhǔn)確測(cè)定氣體中VOCs濃度的儀器。工作環(huán)境溫度-10～40℃，濕度0%～95%（無(wú)冷凝）；呼出氣干燥器采用不銹鋼材料自行制作，內(nèi)以干燥棉填充。儀器間采用聚四氟乙烯管和硅膠管連接（圖1）。

圖1 PID檢測(cè)設(shè)備

1.3 方法 （1）將PID開(kāi)機(jī)調(diào)試，受試者晨起空腹?fàn)顟B(tài)，用清水清潔口腔后待測(cè)。先用PID測(cè)定環(huán)境空氣中VOCs濃度，作為背景VOCs濃度，記為Evoc；（2）受試者于處置室取坐位或仰臥位平靜呼吸0.5 h，用力吸氣后將呼出氣直接通過(guò)吹氣口勻速吹入PID中直至用力呼氣末，然后通過(guò)PID檢測(cè)屏直接讀出連續(xù)測(cè)量過(guò)程中VOCs濃度的最大值，作為校正前總VOCs濃度，記為Tvoc；（3）受試者呼出氣總VOCs記為Pvoc，Pvoc=Tvoc-Evoc，即為本試驗(yàn)收集的目標(biāo)數(shù)據(jù)。為最大限度收集患者的全部呼出氣體信息，以上操作重復(fù)測(cè)量3次，取最高值作為檢測(cè)結(jié)果并記錄。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 數(shù)據(jù)采用SPSS17.0軟件包進(jìn)行分析，因所收集數(shù)據(jù)為非正態(tài)資料，所有數(shù)據(jù)采用中位數(shù)（四分位間距）[M（Q）]表示，多組間的比較采用Kruskal-Wallis H秩和檢驗(yàn)，各組間的兩兩比較采用Mann-Whitney U秩和檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 不同疾病組與健康對(duì)照組Pvoc的比較 經(jīng)檢測(cè)，Pvoc在對(duì)照組為4800.00（2915.00） ppb，肺癌組為4060.00（1450.00） ppb，肺炎組為2958.00（1842.00）ppb，肺纖維化組為3056.00（2851.00）ppb，COPD組為3580.00（1458.00）ppb。與健康對(duì)照組相比，肺癌組（Z=-2.523，P=0.012）、肺炎組（Z=-4.281，P＜0.001）、肺纖維化組（Z=-3.204，P=0.001）及COPD組（Z=-2.644，P=0.008）Pvoc測(cè)定結(jié)果均明顯降低，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 不同疾病組之間Pvoc結(jié)果比較 將肺癌組、肺炎組、肺纖維化組和COPD組各組進(jìn)行Kruskal-Wallis H秩和檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各組間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（H=1.867，P=0.601）。進(jìn)一步應(yīng)用Mann-Whitney U秩和檢驗(yàn)對(duì)各疾病組進(jìn)行兩兩對(duì)比發(fā)現(xiàn)：肺炎組（Z=-1.167，P=0.243）、肺纖維化組（Z=-1.182，P=0.237）、COPD組（Z=-0.601，P=0.548）與肺癌組相比，肺纖維化組（Z=-0.336，P=0.737）、COPD組（Z=-0.508，P=0.611）與肺炎組相比，肺纖維化組與COPD組相比（Z=-0.601，P=0.548），Pvoc測(cè)定結(jié)果差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 一般資料及納入、排除標(biāo)準(zhǔn)在各研究組的情況（x± s）

3 討 論

目前已有學(xué)者對(duì)哮喘、COPD、肺癌、肝癌、心絞痛等多種疾病患者的呼出氣成分進(jìn)行了研究[4]，且多采用氣相色譜、電子鼻等技術(shù)對(duì)呼出氣中某一特定VOCs成分進(jìn)行檢測(cè)。

本研究發(fā)現(xiàn)，肺癌組、肺炎組、肺纖維化組和COPD組Pvoc均顯著低于對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但肺癌組、肺炎組、肺纖維化組、COPD組各組間Pvoc的比較并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，不能將各組一一鑒別開(kāi)來(lái)。分析原因，肺癌患者的VOCs不是單獨(dú)地由腫瘤組織產(chǎn)生，而是腫瘤在發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中引起機(jī)體一系列代謝紊亂而產(chǎn)生的[5]。肺泡上皮細(xì)胞的持續(xù)損傷是肺纖維化發(fā)病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，氧化應(yīng)激及上皮細(xì)胞凋亡等多種機(jī)制均參與肺纖維化的發(fā)生和發(fā)展[6]。而COPD與肺炎等肺部炎性病變中存在的氧化應(yīng)激是導(dǎo)致病情加重的重要因素。雖然上述疾病中或多或少存在氧化應(yīng)激過(guò)程，導(dǎo)致機(jī)體代謝的紊亂與代償，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的VOCs。從理論上講，其代謝產(chǎn)生的VOCs應(yīng)有所增加。然而這些VOCs在人體正常生理代謝過(guò)程中也可產(chǎn)生，如飽和烷烴可通過(guò)脂質(zhì)過(guò)氧化作用產(chǎn)生;異戊二烯主要產(chǎn)生于膽固醇合成的中間步驟；醛酮化合物中最重要的丙酮?jiǎng)t來(lái)源于肝中乙酰輔酶 A的去羰基作用[7]。雖然目前關(guān)于肺癌及肺部感染性疾病特征性標(biāo)志物的研究層出不窮，也找出了一些特征性VOCs[8,9]。但由于人體微生物及代謝產(chǎn)物的復(fù)雜多樣及個(gè)體差異存在，即使某一代謝途徑導(dǎo)致某種揮發(fā)性有機(jī)物的濃度增加，同時(shí)因另一代謝途徑的抑制，而使其他VOCs的產(chǎn)生減少，最終導(dǎo)致了呼出氣中總VOCs的濃度變化不大。因此，呼出氣中單個(gè)組分或成分VOCs濃度可能在不同疾病間存在差異，但是不能通過(guò)總VOCs濃度反映這種差異。因而，呼出氣總VOCs濃度的測(cè)定對(duì)于呼吸系統(tǒng)疾病早期識(shí)別并無(wú)幫助。

綜上所述，應(yīng)用PID測(cè)定呼出氣總VOCs對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病早期診斷無(wú)價(jià)值。今后的研究方向應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注具體單一VOCs成分。由于PID主要用于工業(yè)領(lǐng)域，將其應(yīng)用于臨床，是一種VOCs研究方法學(xué)上的嘗試，無(wú)任何既往資料可供參考，所以本研究在方法學(xué)上可能會(huì)存在不足。另外，本研究存在對(duì)水蒸汽的處理僅采用簡(jiǎn)單的物理干燥法、樣本量較小等不足之處，在今后的研究中，將進(jìn)一步對(duì)PID方法學(xué)的細(xì)節(jié)進(jìn)行不斷完善，并擴(kuò)大樣本量等進(jìn)一步評(píng)價(jià)該方法的臨床價(jià)值，使PID這一無(wú)創(chuàng)、便捷的VOCs檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值。

[1]李雯雯,段憶翔.人體呼出氣分析的技術(shù)進(jìn)展及其在非侵入式醫(yī)學(xué)診斷方面的臨床應(yīng)用前景[J].化學(xué)進(jìn)展,2015,27（4）:321-335.

[2]宋 耕,秦 濤,劉 虎,等.早期肺癌患者呼氣中痕量揮發(fā)性有機(jī)化合物的定量檢測(cè)[J].安徽醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2008,43（3）:323-325.

[3]李絢梅.部分細(xì)菌和真菌特征性揮發(fā)性有機(jī)物的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2012.

[4]黃冬薇,張德明,王露霞,等.革蘭陰性菌揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)與分析[J].重慶醫(yī)學(xué),2013,42（11）:1224-1225.

[5]Hakim M,Broza Y Y,Barash O,et al.Volatile organic compounds of lung cancer and possible biochemical pathways[J].Chem Rev,2012,112（11）:5949-5966.

[6]du Bois R M.Strategies for treating idiopathic pulmonary fibrosis[J].Nat Rev Drug Discov,2010,9（2）:129-140.

[7]張 晨,趙美萍.人體呼出氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢測(cè)方法[J].化學(xué)進(jìn)展,2010,22（1）：140-147.

[8]Fuch P,Loeseken C,Schubert K J,et al.Breath gas aldehydes as biomarkers of lung cancer[J].Int J Cancer,2010,126（11）:2663-2670.

[9]黃冬薇,張德明,王露霞,等.揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)應(yīng)用于下呼吸道感染病原菌診斷價(jià)值的探討[J].中國(guó)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志,2013,23（34）:40-44.

（2016-01-19收稿 2016-03-01修回）

（責(zé)任編輯 付 輝）

Research on the correlation between total volatile organic commpounds level in exhale gas and respiratory disease

LIU Jingsha1,SUO Shuang2,GAO Hongmei1,CHEN Wenli1,CHEN Xian1,ZHANG Ye1,TAN Qinghai1,GU Ye1,and ZHANG Jianpeng1.1.Department of Internal Respiratory,General Hospital of Chinese People’s Armed Police Forces,Beijing 100039,China；2.Department of Respiratory,Beijing Mentougou District Hospital,Beijing 102300,China

ZHANG Jianpeng,E-mail:zjp99@vip.sina.com

Objective To explore the correlation between volatile organic conmpounds (VOCs)concentration in human exhale gas and disease,in order to direct early diagnosis of disease.Methods 100 cases of patients with respiratory diseases one a first grade tertiary hospital of Chinese People’s Armed Police Forces were selected as research subjects,and divided into four groups:lung cancer group (n=15),pneumonia group (n=55),pulmonary fibrosis group (n=15)and chronic obstructive pulmonary diseases (COPD)group (n=15);81 cases of healthy medical staff were selected as the control group.Total VOCs concentration in exhaled gas (labeled Pvoc)of all subjects were detected by photoionization detector (PID).Results Compared with the control group,Pvoc of lung cancer group (Z=-2.523，P=0.012),pneumonia group (Z=-4.281，P＜0.001),pulmonary fibrosis group (Z=-3.204，P=0.001)and COPD group (Z=-2.644， P=0.008)were obviously decreased,the differences were all statistically significant.Comparison of Pvoc in any two groups of lung cancer group,pneumonia group,pulmonary fibrosis group and COPD group,there were no statistical significance.Conclusions Total VOCs concentration in exhale gas detected by PID has no contribution to the diagnosis of lung cancer,pneumonia,pulmonary fibrosis and COPD.

volatile organic compounds;respiratory disease;photoionization detector

R563

10.13919/j.issn.2095-6274.2016.04.003

劉靜莎，碩士研究生在讀，

E-mail:liujingsha880102@126.com

1.100039 北京，武警總醫(yī)院呼吸內(nèi)科；

2.102300，北京門頭溝區(qū)醫(yī)院呼吸科

張健鵬，E-mail:zjp99@vip.sina.com