生物體液揮發性有機化合物分析研究進展

佟洪雙　王常松

[摘要] 分析呼出氣體、血液、汗液、尿液、唾液、胸腔積液、腦脊液、糞便等揮發性有機化合物是最新發展起來用于評估健康狀況、疾病篩查和診斷的一種方法。近幾年來，這種方法因其非侵入性、快速、操作簡單方便、廉價以及患者良好的耐受性等優點，不但引起越來越多研究者的注意，而且擴展了新的研究領域。目前，肺癌呼出氣、血液、尿液等代謝組學的研究表明烷烴、芳香烴、含氧有機化合物具有一定診斷價值，并在各種癌癥中已經確定和某些特殊的揮發性有機化合物之間存在聯系。

[關鍵詞] 揮發性有機代謝物；生物標志物；生物體液

[中圖分類號] R503 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）07（a）-0043-04

[Abstract] Analysis of volatile organic compounds in exhaled breath， blood， sweat， urine， saliva， pleural effusion， cerebrospinal fluid， stool is a new method that was used for the assessment of health status， disease screening and diagnosis. In recent years， this method has the advantages of non-invasive， rapid， convenient operation， cheap and patients with good tolerance. The analysis of volatile organic compounds has attracted more and more attention of researchers and expanded a new research field. At present， the metabolomics research of lung cancer in exhaled breath， blood and urine show that alkanes， aromatic hydrocarbons， oxy-compound has a certain diagnostic value. There is also a link between identified various types of cancer and some special volatile organic compounds.

[Key words] Volatile organic compounds； Biomarkers； Biological fluids

目前使用揮發性有機化合物（VOCs）分析來診斷疾病的方法已經被廣泛研究。呼出氣、血液和尿液VOCs分析已經應用于各種不同的領域，如毒理學、司法學、生物化學以及包括癌癥的醫學領域。但是VOCs分析各種不同的生物體液有很多種方法，被廣泛研究的是固相微萃?。⊿PME）聯合氣相色譜-質譜分析（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）方法。本綜述是通過幾種不同分析方法來論述不同生物體液產生特定的VOCs以及和疾病之間的關系。

1 VOCs分析的緣起及發展

早在古希臘內科醫生就已發現人類呼出的氣味能為疾病診斷提供線索。1971年諾貝爾獎獲得者Laureate Linus和同事首次提出代謝組學揮發性物質部分的分析，命名為Volatome。他描述了正常人呼出氣以及尿液中大約有250到280種揮發性物質[1]。1989年Williams和Pembroke證實了嗅探犬經過訓練后能發現黑色素瘤的患者，表明惡性腫瘤中存在“特殊氣味”[2]。隨后其他幾項研究證實了某種特殊VOC和各種癌癥之間的關系，例如肺癌[3]、肝癌[4]、乳腺癌[5]和結直腸癌[6-8]。

2 人體內VOCs的產生與代謝

人體內源性VOCs是由癌細胞和組織進行新陳代謝和氧化應激產生的代謝產物，反映機體內炎癥、壞死、癌癥變性、微生物群以及內環境的變化，其存在與含量可以反映人體健康情況。同時也受外部因素的影響，如環境、藥物等[2]。研究顯示導致VOCs降解加速是肺癌患者體內細胞色素P450系統被激活，這些代謝產物在水中溶解度很低，而有些釋放于血液中，經過血液循環到達肺泡或者腎小管，最終隨呼出氣或尿液被排出體外[2]。腸道VOCs是結腸內細菌經過非淀粉多糖發酵產生，代表小腸細胞、腸道微生物群和入侵病原體復雜的相互作用，可在糞便及尿液中被檢測到[9]。這些VOCs產生后可以以氣相的形式在呼出氣體、血液、汗液、尿液、糞便、腦脊液以及母乳中被檢測到。

2.1 唾液VOCs分析

唾液中VOCs可作為疾病、生理狀態和從事職業的生物標志物。人類口腔中有大約700種細菌和微生物定植，這些微生物所釋放的VOCs主要有揮發性硫化物（volatile sulfur compounds，VSC）、吲哚（indole）、酚（phenol）、脂肪胺（aliphatic amines）等[10-12]。外源性化合物來源于化妝品、香水、洗滌劑、煙草和大氣污染物。有研究通過GC-MS分析唾液中VOC鑒別與疾病相關的標志物，如二甲基硫（dimethyl disulfide）、苯乙烯（styrene）和甲基叔丁基醚（methyl tert-butyl ether）[13-14]，與肺癌有關的VOCs，如苯甲酮（benzophenone）和反式石竹烯（trans-caryophyllene）[15-16]。Kostelc等[17]分析17個受試者（3名男性和14名女性）由刺激產生的全唾液酸化合物。他們發現了超過30種化合物，主要是醇/酚類和脂肪族和芳族烴。但是其中至少11種揮發物是外源性的。其中辛醇（2-ethyl-1-hexanol）是塑化劑，而二丁基羥基甲苯（butylatedhydroxytoluene，BHT）是一種常用的抗氧化劑。而十四酸異丙酯（isopropyl tetradecanoate）和棕櫚酸異丙酯（isopropyl hexadecanoate）這兩種脂肪酸酯可能來源于化妝品制劑。四氯乙烯（Tetrachloroethylene）可能來源于環境中的空氣或生活飲用水。烯丙基異硫氰酸酯（allylisothiocyanate）的存在可能與飲食有關，因為它主要是芥末的主要成分。壬醛（Hexanal）和己醛（nonanal）是氧化應激的標志物，口腔微生物群活動可能產生2，3-丁二酮（2，3-butanedione）、2，3-戊二酮（2，3-pentanedione）、苯酚（phenol）、吡咯（pyrrole）、吲哚（indole）和二甲基二硫醚（dimethyl disulfide）等VOCs。唾液幾乎完全是水溶性物質，VOCs濃度比血液或尿液低?！靶迈r”唾液中的大部分VOCs主要來源于食品及口腔衛生用品，這些外源性物質可能阻礙尋找真正疾病的生物標志物。只有幾個內源性的唾液化合物可作為疾病的標志物。如今，關于使用唾液VOCs分析來診斷疾病的方法已經被質疑，除了毒理學應用領域。然而，口腔微生物定植細菌活性產物的研究可能為疾病的診斷提供更有價值的信息。

2.2 血液VOCs分析

從理論上講，低分子量VOCs質譜分析可以通過血液的頂空萃取而鑒別。通過血培養瓶的頂空萃取等研究發現了特殊的VOCs，表明這些特殊的VOCs是由菌血癥患者的血液產生[18]。2006年Allardyce等[19]采用選擇性離子流質譜分析人工感染5種細菌菌株的血液培養瓶，結果表明，微生物VOCs的檢測可能是一種敏感細菌檢測方法，即用來鑒定和測定抗生素在傳統血液培養系統中的敏感性。然而并沒有研究頂空尿細菌和陽性血培養物或血清微生物細胞培養物的頂空中發現這些化合物的相關性。在目前的研究中，大部分是應用SPME與GC-MS用于肺癌的VOCs研究；頂空SPME（纖維涂層，提取溫度和提取時間）和解析條件是應用于測定人體血液中的揮發物、尋找癌癥生物標志物的最佳方法。Deng等[20-22]通過SPME和GC-MS法描述了肺癌患者正常樣品和樣品頂空中揮發性醛（aldehydes）的測定，認為人類血液中的己醛（Hexanal）和庚醛（heptanal）是肺癌的潛在生物標志物，同時通過呼出氣和血液中揮發物的比較，論證了己醛和庚醛起源于血液。類似的研究發現在吸煙者血液的頂空萃取檢測到乙腈（acetonitrile）水平升高[23]。

2.3 尿液VOCs分析

迄今為止，已經從尿液中檢測到超過230種不同化學類型的VOCs，包括醛類、酮類、呋喃、吡咯、萜類和含硫化合物等[24-25]。由于尿液易于收集，如今已廣泛應用于代謝組學研究領域，輔助探索病理進程，例如先天性代謝疾病、糖尿病和多種癌癥。目前，尿液代謝組學的研究已經應用到乳腺癌[26]、結直腸癌[27]、食管癌[28]、胰腺癌[29]和肝癌[30]等疾病。Matsumura等[31]證實，尿液揮發性化合物可以應用于肺癌的協助診斷。Zhang等[32]使用尿液代謝組學分析方法，對27例腎細胞癌患者、26例其他泌尿系統腫瘤患者和26名正常人進行了實驗，分析結果得到十四種代謝產物。腎細胞癌患者尿液中含有機酸、馬尿酸、色氨酸及其降解產物，其中戊酸（pentanoic acid）、丙二酸（malonic acid）、戊二酸（glutaric acid）、己二酸（adipic acid）、吲哚乙酸（indoleacetic acid）、氨基喹啉（aminoquinoline）、喹啉（quinoline）及色氨酸（tryptophan）的濃度高于正常人；戊酸（pentanoic acid）、苯丙氨酸（phenylalanine）、6-甲氧基-硝基喹啉（6-methoxy-nitroquinoline）等濃度高于其他泌尿系統腫瘤患者。經分析，這些代謝產物主要與脂肪代謝、氨基酸代謝，以及能量傳遞途徑有關。因此需要對這些代謝產物及其參與的代謝途徑進行深入的研究，以發現具有診斷腎細胞癌的特異性生物標志物。

2.4 胸腔積液VOCs分析

胸腔積液與肺部疾病關系密切。與肺部疾病相關蛋白的改變、細胞功能異常通過與控制代謝的酶或核酸相結合而引起胸腔積液中內源代謝物比例、濃度等方面發生的變化可以區分肺癌和肺部炎癥。SPME結合GC/MS是一種簡單、快速、靈敏和無溶劑法測定胸腔積液中的VOC。Liu等[33]通過質譜儀定量比較胸腔積液樣品中揮發性代謝物（VOMs）化學類別的強度，發現肺癌患者胸腔積液樣品中主要的代謝物為醇類（alcohols）、酮類（ketones）和苯系衍生物（benzene derivatives），而良性對照組胸腔積液中主要為酮類（ketones）、酯類（terpenoids）和苯系衍生物（benzene derivatives），通過篩選得到肺癌組和良性組間的差異性代謝化合物分別為環己酮（cyclohexanone）和2-乙基-1-己醇（2-ethyl-1-hexanol）。這些化合物是否適合肺癌生物標志物仍然需要進一步研究，另一方面，環己酮和2-乙基-1-己醇可能來源于內源性生化途徑，這兩種物質在肺癌患者尿液生物標志物中也被發現[34]。然而到目前為止，沒有研究比較良性和惡性胸膜之間胸腔積液VOCs的差異。

3 VOCs分析存在的問題

從生物學的角度看，人類的VOCs顯著改變可能受人類自身條件及環境影響。生理效應能影響VOC濃度，因此也是疾病的VOCs生物標志物的混雜因素。此外，來源于外源性的VOCs可以被吸收到體內，從而影響身體內的VOCs[35]。因此，在臨床研究中無法避免受到這些外部因素影響，甚至可能會導致錯誤的結論[36]。在臨床試驗中，需要嚴格控制干預措施和規范對樣本的處理。VOCs的收集和分析，采用SPME與GC-MS等其他方法均可以影響標志物的結果。

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（收稿日期：2017-02-28 本文編輯：張瑜杰）