呼氣試驗(yàn)的研究進(jìn)展及其在呼吸系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

黃冬薇，李志斌

（廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院干部病房三科，廣東 廣州 510010）

眾所周知，實(shí)驗(yàn)室檢查在現(xiàn)代疾病診斷過(guò)程中扮演的角色越來(lái)越重要。近二十年來(lái)，有一類(lèi)稱(chēng)為呼氣試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室檢查倍受關(guān)注。隨著13/14C-尿素呼氣試驗(yàn)應(yīng)用于診斷胃幽門(mén)螺旋桿菌取得巨大成功，呼氣試驗(yàn)研究掀起一篇熱潮。呼氣試驗(yàn)（Breath tests）是指通過(guò)呼氣成分的直接測(cè)定或測(cè)定攝入特定化合物后呼氣中的標(biāo)志性氣體，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)體生理、病理狀態(tài)的非侵入性判斷。目前通過(guò)呼一口氣大致可以判斷糖尿病患者是否發(fā)生酮癥酸中毒、肝硬化患者肝性腦病，可以測(cè)量出機(jī)體的能量代謝率、心排血量、紅細(xì)胞壽命，為疾病的診斷治療提供了極大的便利。

1 呼氣試驗(yàn)的發(fā)展概況

現(xiàn)代呼氣試驗(yàn)開(kāi)始于18世紀(jì)末，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫發(fā)現(xiàn)呼吸消耗氧氣、排出二氧化碳，隨后19世紀(jì)德國(guó)生理學(xué)家菲克將氣-液擴(kuò)散研究結(jié)果總結(jié)出著名的Fick心排血量計(jì)算等式，由此對(duì)現(xiàn)代呼氣試驗(yàn)做出杰出理論貢獻(xiàn)。同一時(shí)期，重癥糖尿病患者呼氣呈“爛蘋(píng)果味”被證明為患者呼出大量丙酮所致。20世紀(jì)呼氣試驗(yàn)發(fā)展迅速，其中13/14C-尿素呼氣試驗(yàn)應(yīng)用于診斷胃幽門(mén)螺旋桿菌取得巨大成功[1]。目前呼氣試驗(yàn)已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、藥理學(xué)、太空醫(yī)學(xué)等各個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，同時(shí)在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也取得一定的成功，如乙醇呼氣測(cè)定儀成為交通警察檢控酒后駕車(chē)的必備工具。在臨床中常用及研究較多呼氣試驗(yàn)主要是營(yíng)養(yǎng)及代謝疾病的診斷、肺功能評(píng)估、心功能評(píng)估、肝功能評(píng)估、胰腺外功能分泌功能評(píng)估，以及胃腸病學(xué)、腎病學(xué)、血液病學(xué)的應(yīng)用。

2 呼氣試驗(yàn)的檢測(cè)方法

呼氣是由氣體、水蒸氣和懸浮微粒三部分組成，來(lái)源于環(huán)境空氣、機(jī)體細(xì)胞代謝及體內(nèi)微生物代謝，各種呼出氣體成分的含量變化可以反映機(jī)體的生理和病理改變。試驗(yàn)的方法大致可分為兩大類(lèi)，分別是呼氣成分的指示劑呼氣試驗(yàn)(Indicator breath test)和直接檢測(cè)(Direct measurement)[1-2]。

2.1 指示劑呼氣試驗(yàn) 指示劑呼氣試驗(yàn)是指通過(guò)口服、吸入或注射等途徑攝入可原形呼出的標(biāo)志氣體或可代謝成為標(biāo)志性氣體的化合物，然后測(cè)定呼出標(biāo)志性氣體的變化，從而研究機(jī)體的生理、病理變化，所用的指示劑可分為核素示蹤劑和非核素指示劑兩類(lèi)。C、H、O、N是四大生命元素，因此核素示蹤研究一般選用這四種元素的同位素標(biāo)記示蹤化合物，通常以13/14C-標(biāo)記最常用，偶見(jiàn)H、O等核素標(biāo)記。而非核素指示劑主要有不溶惰性氣體（如N2）、可溶氣體（如O2、CO2、CO、乙炔）和氫氣。

2.2 直接檢測(cè) 其又可分為高濃度氣體分析、痕跡氣體分析、呼氣冷凝液分析三大類(lèi)。（1）高濃度氣體分析：空氣中有三大高濃度氣體，三者合計(jì)占無(wú)水空氣的99.9%，其余痕跡氣體總量不足0.1%，而呼氣中的高濃度氣體除了氮?dú)狻⒀鯕狻鍤馔猓€增加了二氧化碳，其濃度高達(dá)5%-5.5%，比空氣增加了100多倍。氧氣和二氧化碳是呼吸交換氣體，凡涉及整體氧氣利用和二氧化碳產(chǎn)生的生命過(guò)程最終都會(huì)反映在呼氣氧氣減少速率或二氧化碳增加速率的變化上，因此呼氣中的氧氣和二氧化碳分析是最基本和最重要的呼氣試驗(yàn)。氧氣通常通過(guò)電學(xué)傳感器測(cè)定，而CO2多用紅外光譜吸收法來(lái)分析。氮?dú)饧皻鍤馐嵌栊詺怏w，可作為肺容積測(cè)定的稀釋指示劑使用。(2)痕跡氣體分析：痕跡氣體總量不足0.1%，但種類(lèi)繁多，當(dāng)呼氣中被檢查濃度較高或使用的測(cè)定方法靈敏度較高時(shí)，可用直接采樣方式檢測(cè)，并根據(jù)氣體性質(zhì)不同采用不同的方法，包括電學(xué)分析、光學(xué)分析、色譜分析、質(zhì)譜分析或幾種方法聯(lián)合分析。而當(dāng)呼氣中被檢物質(zhì)濃度較低或所采用的測(cè)試方法靈敏度不佳時(shí)，可通過(guò)濃縮采樣檢測(cè)。1999年，Philips等學(xué)者用活性炭吸附和氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)合分析可檢出3 000余種揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile organic compounds，VOCs），其中有1 700多種的濃度高于空氣[3-4]。(3)呼氣冷凝液分析呼氣冷凝液（Breath condensate）一般是指－10℃-0℃條件下通過(guò)呼氣收集到的呼氣冷凝水。呼氣冷凝液含有各種生物活性分子，主要源于氣道和肺泡表面液體，此可用于肺生化功能的評(píng)估，其制備較為簡(jiǎn)單，而呼氣冷凝液的檢測(cè)方法與一般體液化驗(yàn)方法相同[5]。作為肺生化功能診斷的標(biāo)志，氣道炎癥狀態(tài)和氧化應(yīng)激狀態(tài)監(jiān)測(cè)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，肺癌和感染病源基因?qū)W診斷也有一定的研究[6-9]。

3 呼氣試驗(yàn)在呼吸系統(tǒng)疾病的應(yīng)用

近年來(lái)，呼氣試驗(yàn)在呼吸系統(tǒng)疾病應(yīng)用的研究逐漸升溫，當(dāng)前研究較多的幾種內(nèi)源性痕跡氣體及應(yīng)用于呼氣冷凝液試驗(yàn)的各種生物分子列舉如下：

3.1 NO NO已被證實(shí)為內(nèi)源性舒張因子的本質(zhì)，且在呼氣中存在內(nèi)源性NO，目前已成為公認(rèn)的氣道炎癥和氧化應(yīng)激的生化標(biāo)志。幾乎所有呼吸系統(tǒng)炎癥性疾病中，呼出NO都有不同程度的升高，包括各種鼻腔、鼻竇炎癥、急性上呼吸道感染、肺炎、急性肺損傷、支氣管哮喘、支氣管擴(kuò)張、慢性阻塞性肺病[10-11]。其中以支氣管哮喘、支氣管擴(kuò)張、過(guò)敏性鼻炎的升高程度最突出，但在囊性纖維化病人中卻降低或升高不明顯。NO的測(cè)量方法包括化學(xué)發(fā)光法、紅外激光吸收光譜法、光離子源質(zhì)譜、氣呼氣冷凝液NO分析，其中化學(xué)發(fā)光目前應(yīng)用最普遍[10,12]。

3.2 CO CO性質(zhì)較穩(wěn)定，呼氣濃度較高，測(cè)定方法簡(jiǎn)單，電學(xué)傳感、紅外吸收光、氣相色譜是常用方法，其中氣相色譜是各種方法的參考標(biāo)準(zhǔn)，可用于CO中毒的診斷、戒煙檢控、氣道炎癥評(píng)估，但因呼氣CO有多種來(lái)源，其作為氣道炎癥標(biāo)記物的臨床價(jià)值不如NO。

3.3 H2O2呼氣中的H2O2主要來(lái)自氣道巨噬細(xì)胞和炎性粒細(xì)胞，只要這些細(xì)胞被激活和浸潤(rùn)，呼氣H2O2理應(yīng)升高。與NO一樣，幾乎所有肺部疾病呼氣H2O2變化都有研究，支氣管哮喘和慢性阻塞性肺病的報(bào)道尤多，但目前文獻(xiàn)報(bào)道主要是利用呼氣冷凝標(biāo)本完成[13]。

3.4 烴類(lèi) 呼氣烴類(lèi)有環(huán)境攝入和內(nèi)源產(chǎn)生兩大來(lái)源，內(nèi)源性既可源于細(xì)菌代謝也可來(lái)自細(xì)胞代謝，其中乙烷和戊烷的應(yīng)用研究較為廣泛，其主要反映氧化應(yīng)激中的脂質(zhì)過(guò)氧化。而氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過(guò)氧化在各種急慢性肺部炎癥的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起著重要作用，因此支氣管哮喘、慢阻肺、囊性纖維化、支氣管擴(kuò)張癥、間質(zhì)性肺炎、重癥監(jiān)護(hù)機(jī)械通氣病人并發(fā)肺炎等肺部炎癥患者的呼氣中，乙烷、戊烷濃度都有不同程度的增高[14]。其次吸煙者呼氣乙烷、戊烷明顯增加，可能與氧化應(yīng)激有關(guān)，也可能是煙草烴類(lèi)含量過(guò)高所致。而與慢性肺病患者及吸煙者不同的是，肺癌患者呼氣戊烷有所降低，這有望成為肺癌早期診斷的新方法[15]。異戊二烯在氧化應(yīng)激及脂質(zhì)過(guò)氧化時(shí)濃度變化不大，但在急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)病人中卻會(huì)下降，這也可能與ARDS病人心率和呼吸明顯加速有關(guān)。機(jī)械通氣病人并發(fā)肺炎時(shí)戊烷升高而異戊二烯下降，因此可提示戊烷與異戊二烯比值有助于監(jiān)測(cè)重癥病人感染的發(fā)生[16-20]。

3.5 應(yīng)用于呼氣冷凝液的各種生物分子 除了上述的NO、過(guò)氧化氫外，脂質(zhì)炎癥介質(zhì)、細(xì)胞因子、脂質(zhì)過(guò)氧化物、血管活性胺等生物分子均可應(yīng)用于呼氣冷凝液試驗(yàn)，其成分的測(cè)定可以反映哮喘、慢性阻塞性肺病、急性呼吸窘迫綜合征、肺間質(zhì)疾病等肺內(nèi)及氣道內(nèi)氧化應(yīng)激狀態(tài)、炎癥狀態(tài)的變化及程度，臨床應(yīng)用前景樂(lè)觀[21]。此外，目前有報(bào)道在部分肺癌病人呼氣冷凝液中檢出p53基因，提示肺癌基因診斷的可能性，也另有學(xué)者嘗試PCR檢測(cè)肺結(jié)核病人呼氣冷凝結(jié)核桿菌、銅綠假單胞菌基因，但結(jié)果陰性。但基因和微生物基因的研究仍需要更多的實(shí)驗(yàn)觀察[22]。

4 小結(jié)

目前能用應(yīng)于臨床診治過(guò)程的呼氣試驗(yàn)項(xiàng)目還為數(shù)不多，因?yàn)椴⒎撬心軌蛞鸷魵獬煞肿兓捏w內(nèi)生理病理過(guò)程都適合運(yùn)用呼氣試驗(yàn)加以分析，呼氣試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)針對(duì)那些干擾因素少的或干擾因素能控制的步驟實(shí)施，但從這些已應(yīng)用的項(xiàng)目效果來(lái)看，呼氣試驗(yàn)無(wú)疑有著光明的前景。對(duì)于呼吸系統(tǒng)疾病的診斷而言，肺部的生化診斷長(zhǎng)期滯后于機(jī)體其他器官，多數(shù)血液生化指標(biāo)缺乏對(duì)肺的特異性，盡管肺泡灌洗液的檢驗(yàn)和誘導(dǎo)排痰取樣檢驗(yàn)使得肺部的生化診斷有了大的突破，但大多數(shù)患者無(wú)法接受這類(lèi)侵入性的檢查。因此呼氣試驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)無(wú)疑為肺部的檢驗(yàn)提供了便利條件。隨著眾多學(xué)者的參與、基礎(chǔ)與臨床等多學(xué)科的聯(lián)合研究，呼氣試驗(yàn)將最終成為臨床不可或缺的檢驗(yàn)手段，呼氣試驗(yàn)在肺癌、肺部細(xì)菌感染、真菌感染等疾病的診斷價(jià)值將會(huì)成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

[1]張厚德,馬永健.臨床呼氣試驗(yàn)概論[J].胃腸病學(xué)和肝病學(xué)雜志,2000,9(1):1-2.

[2]Philips M.Breath tests in medicine[J].Sci Am,1992,267(1):74-79.

[3]Phillips M,Cataneo RN,Condos R,et al.Volatile biomarkers of pulmonary tuberculosis in the breath[J].Tuberculosis(Edinb),2007,87(1):44-52.

[4]Philips M,Gleeson K,Hughes JM,et al.Volatile organic compounds in breath as markers of lung cancer:a cross-sectional study[J].Lancet,1999,353(9168):1897-1898.

[5]張 弘,蔡柏薔.呼出氣冷凝液檢測(cè)在呼吸系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)呼吸系統(tǒng)分冊(cè),2004,24(4):243-246.

[6]Siddiqui BS,Ali ST,Rajput MT,et al.GC-based analysis of insecticidal constituents of the flowers ofAzadirachta indica A[J].Juss.NatProd Res,2009,23(3):271-283.

[7]Chen X,Xu F,Wang Y,et al.A study of the volatile organic compounds exhaled by lung cancer cells in vitro for breath diagnosis[J].Cancer,2007,110(4):835-844.

[8]Lord H,Yu Y,Segal A,et al.Breath analysis and monitorint by membrane extraction with sorbent interface[J].Anal Chem,2002,74(21):5650-5657.

[9]Corradi M,Poli D,Selis L,et al.Volatile hydrocarbons in exhaled air:preliminary data on the characteristic profile associatedwith lung tumors[J].G ItalMed Lav Ergon,2003,25(3):59-60.

[10]Taylor DR.Nitric oxide as a clinical guide for asthma management[J].JAllergy clin immunol,2006,117(2):259-262.

[11]鄭永華,陸晶晶,張麗萍.支氣管哮喘與NO濃度的檢測(cè)研究及臨床意義[J].臨床肺科雜志,2009,14(3):327-328.

[12]Thomas SR,Kharitonov SA,Scott SF,et al.Nasal and exhaled nitric oxide is reduced in adult patients with cystic fibrosis and does not correlate with cystic fibrosis genotype[J].Chest,2000,117(4):1085-1089.

[13]Kharitonov SA,Barnes PJ.Exhaled Makers of pulmonary disease[J].Am J Respir Crit Care Med,2001,163(2):1693-1722.

[14]Harrison CM,Andersen CC.Exhaled breath measures of inflammation:are they useful in neonatal chronic lung disease?[J].Arch Dis Child Fetal Neonatal Ed,2005,90(1):6-10.

[15]Philips M,Cataneo RN,Cummin AR,et al.Detection of lung cancer with volatile markers in the breath[J].Chest,2003,123(6):2115-2123.

[16]Fabbri LM,Romagnoli M,Corbetta L,et al.Differences in airwayinflammation in patients with fixed airflow obstruction due to asthma or chronic obstructive pulmonary disease[J].Am J Respir Crit Care Med,2003,167(3):418-424.

[17]Knutson MD,Handelman GJ,Iteri FE.Methods for measuring ethane and pentane in expired air from rats and humans[J].Free Radic Biol Med,2000,28(4):514-519.

[18]Steeghs MM,Cristescu SM,Harren FJ.The suitability of Tedlar bags for breath sampling in medical diagnostic research[J].Physiol Meas,2007,28(1):73-84.

[19]Phillips M,Cataneo RN,Greenberg J,et al.Effect of oxygen on breath markers of oxidative stress[J].Eur Respir J,2003,21(1):48-51.

[20]Phillips M,Altorki N,Austin JH,et al.Detection of lung cancer using weighted digital analysis of breath biomarkers[J].Clin Chim Acta,2008,393(2):76-84.

[21]Effros RM,Dunning MB 3rd,Biller J,et al.The promise and perils of exhaled breath condensates[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2004,287(6):1073-1080.

[22]Mazzone PJ,Hammel J,Dieik R,et al.Diagnosis of lung cancer by the analysis of exhaled breath with a colorimetric sensor array[J].Thorax,2007,62(7):565-568.