肺癌早診呼吸分析研究現(xiàn)狀與臨床應(yīng)用前景

陳情 孫美秀 李靜 崔文靜

1天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院心肺功能科 國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心 天津市 “腫瘤防治”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心300060；2中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院&北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津300192

據(jù)WHO的數(shù)據(jù)顯示，全球每年約有160萬(wàn)人死于肺癌。肺癌已成為全世界發(fā)病率和病死率最高的惡性腫瘤。我國(guó)是世界上肺癌患者最多的國(guó)家，每年約73萬(wàn)人被確診為肺癌[1]。

臨床研究資料表明，原位癌治愈率接近100%，Ⅰ期肺癌患者的5年生存率達(dá)60%～90%，而Ⅲ期和Ⅳ期患者的5年生存率僅5%～20%，目前肺癌5年生存率僅為18%，部分原因是約75%的患者在確診時(shí)已屬肺癌中晚期[2-3]。若肺癌在早期階段被檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)手術(shù)治療，5年生存率可達(dá)到50%～70%[4]。因此早期檢測(cè)對(duì)于肺癌患者至關(guān)重要。

目前，用于肺癌的早期診斷方法包括痰細(xì)胞學(xué)[5]、循環(huán)生物標(biāo)記物[6]、CT/低劑量計(jì)算機(jī)斷層掃描[7]、MRI[8]、和胸部X射線[9]。除成本外，這些測(cè)試的輻射或者入侵性都會(huì)給患者造成一定的擔(dān)憂。最重要的是，這些測(cè)試結(jié)果尚未得到最終對(duì)病情的證明。因此開(kāi)發(fā)一種無(wú)創(chuàng)、成本低廉的檢測(cè)方法一直是人們所追求的。

肺癌細(xì)胞具有高代謝的特點(diǎn)，自身可持續(xù)異常合成分泌各種特殊成分物質(zhì)，最有可能釋放某些癌癥標(biāo)記特征直接進(jìn)入呼吸系統(tǒng)。在較早的呼出氣體中可以檢測(cè)到呼出的揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds，VOCs)，其在體內(nèi)代謝過(guò)程提供患者潛在的疾病信息[10]，因此，呼出的VOCs可作為肺癌診斷的生物標(biāo)記物。

1 呼吸分析技術(shù)用于肺癌早期診斷的機(jī)理研究

機(jī)體在一些病理狀態(tài)下，呼氣中VOCs的成分會(huì)發(fā)生改變，呼氣分析通過(guò)檢測(cè)呼氣中VOCs成分的變化反映機(jī)體的病理生理狀態(tài)，但到目前為止，肺癌和呼出氣中的VOCs的關(guān)系尚未明確。Smith等[11]通過(guò)選擇性子流量管光譜測(cè)定法發(fā)現(xiàn)肺癌細(xì)胞株的培養(yǎng)液頂層空氣中測(cè)得的揮發(fā)性有機(jī)氣體乙醛在肺癌細(xì)胞株培養(yǎng)16 h以后開(kāi)始增高，并與肺癌細(xì)胞的數(shù)量的升高成比例，說(shuō)明肺癌細(xì)胞本身產(chǎn)生了特征性VOCs。而Poli等[12]，發(fā)現(xiàn)肺癌患者在進(jìn)行腫瘤切除術(shù)后相關(guān)VOCs水平下降，也進(jìn)一步證實(shí)了肺癌細(xì)胞本身可以產(chǎn)生VOCs。其他體系中的研究表明VOCs的代謝產(chǎn)生與細(xì)胞氧化應(yīng)激相關(guān)，其中氧自由基與癌的產(chǎn)生密切相關(guān)。氧自由基可以導(dǎo)致肺損傷。當(dāng)中性粒細(xì)胞進(jìn)入肺并釋放氧自由基時(shí)，可引起蛋白質(zhì)、多種不飽和脂肪酸及DNA等的過(guò)氧化損傷[13]。通過(guò)脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，細(xì)胞膜上的多種不飽和脂肪酸分解代謝為已烷、戊烷、甲烷等烷烴類(lèi)物質(zhì)，這些物質(zhì)在血液中溶解度極低，一部分易揮發(fā)的烷烴很快就經(jīng)過(guò)氣血交換，直接經(jīng)呼吸系統(tǒng)排出體外；細(xì)胞膜的損傷也增加了肺泡細(xì)胞對(duì)VOCs通透性。此外，在肺癌的研究中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素P450酶與肺癌存在一定的相關(guān)性[14]，這些烷烴類(lèi)物質(zhì)也可通過(guò)細(xì)胞色素P450混合酶系統(tǒng)代謝，將其氧化成烷醇，排出體外。

因此，肺癌中特征性VOCs的代謝產(chǎn)生機(jī)制并非單一因素主導(dǎo)，而是由多因素共同參與。

2 用于肺癌早期診斷的呼吸分析技術(shù)及采樣方法

不同的研究小組使用各種各樣的取樣和檢測(cè)方法來(lái)鑒定生物標(biāo)記物。呼氣分析中關(guān)于氣體的收集主要是在操作中避免氣體外漏和外界氣體的污染，最常用、最受歡迎的取樣技術(shù)是泰德拉袋，這也是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署推薦用于VOCs檢測(cè)的取樣方法[15]。

大多數(shù)分析呼出氣體的研究使用的是氣相色譜質(zhì)譜儀(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)和/或電子鼻。GC-MS已經(jīng)在研究組中廣泛使用[16]。GC-MS是一種強(qiáng)大的工具，可以定性和定量地鑒定混合物中存在的每種揮發(fā)性化合物，但是需要充分準(zhǔn)備的樣品，訓(xùn)練有素的人員，并且價(jià)格昂貴[17]。固相微萃取技術(shù)通常與GCMS結(jié)合用于樣品的預(yù)濃縮和制備。電子鼻分析技術(shù)是由一系列電子化學(xué)傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別系統(tǒng)組成的儀器。例如石英微天平氣體傳感器或分子改進(jìn)的金納米顆粒，是基于傳感器材料的化學(xué)反應(yīng)。它們可以提供高敏感度的測(cè)試結(jié)果[18-19]，相對(duì)便宜，體積較小，易于使用和攜帶，但是檢測(cè)選擇性較低，需要經(jīng)常校準(zhǔn)，不能檢測(cè)定量結(jié)果或識(shí)別呼吸中的每一種成分。

質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜法是一種使用氣相水合氫離子作為離子源試劑的分析化學(xué)方法[20]。一種不需要預(yù)濃縮的技術(shù)，其檢測(cè)下限優(yōu)于GC-MS，提高了敏感度，且操作簡(jiǎn)單快速，但也因自身某些因素的限制，在應(yīng)用推廣方面不及GC-MS廣泛。

除了以上的呼吸氣體檢測(cè)技術(shù)，近年來(lái)光譜技術(shù)在呼吸領(lǐng)域也不斷發(fā)展。與質(zhì)譜技術(shù)相比，激光光譜技術(shù)不但具有高敏感度、高選擇性的優(yōu)點(diǎn)，而且具有低成本、實(shí)時(shí)性及即時(shí)檢測(cè)的功能特點(diǎn)。測(cè)量到的生物標(biāo)記物的光譜圖譜范圍從紫外到中紅外，而激光技術(shù)所達(dá)到的檢測(cè)極限范圍從百萬(wàn)分之一到十億分之一。目前，在已確定的30多種呼吸生物標(biāo)記物中，研究人員采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)[21]、光腔衰蕩光譜技術(shù)[22]以及光聲光譜技術(shù)[23]進(jìn)行了人體多種呼吸生物標(biāo)記物實(shí)驗(yàn)。

3 呼吸分析技術(shù)用于肺癌早期診斷的標(biāo)記物研究

用于呼吸分析的標(biāo)準(zhǔn)程序不一致性是獲得不同結(jié)果的主要原因，絕大多數(shù)的研究進(jìn)行了病例對(duì)照的方法。與臨床診斷的患者相比，健康對(duì)照組中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肺癌的征兆，因此它們被認(rèn)為是無(wú)癌的。表1根據(jù)呼吸氣體分析，按照發(fā)表年代的順序，描述了肺癌患者和健康志愿者對(duì)照分類(lèi)的敏感度、特異度和準(zhǔn)確率以及生物標(biāo)記物的統(tǒng)計(jì)信息，肺癌的敏感度及特異度為51%～100%、13%～100%不等。但是，所有研究都沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證，這可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果過(guò)于樂(lè)觀。

不同的文章進(jìn)行了不同的多變量統(tǒng)計(jì)方法，例如模糊邏輯、主成分分析或神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等來(lái)確定物質(zhì)的濃度。為了確認(rèn)哪些物質(zhì)為生物標(biāo)記物，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，物質(zhì)的濃度需要在癌癥患者和健康者對(duì)照組之間的差異顯示出來(lái)。這些濃度的極限值可以在研究的文章中找到。

4 呼吸分析技術(shù)用于肺癌早期診斷面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

肺癌是全世界惡性腫瘤致死的首要原因，其發(fā)病率和病死率呈不斷上升的趨勢(shì)。呼吸分析技術(shù)在肺癌診斷中的地位已經(jīng)沒(méi)有爭(zhēng)議，但是如何能便捷地用于臨床操作，有效地進(jìn)行分析以用于篩查診斷，是我們面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。到目前為止，所有的研究均表明肺癌患者的呼出氣體標(biāo)記物尚未統(tǒng)一，各種研究的主要弱點(diǎn)是缺乏用于呼吸分析的標(biāo)準(zhǔn)化方法，這是評(píng)估所獲得的結(jié)果的相關(guān)性和可靠性的依據(jù)。例如，在上述所有的研究中，每篇文章所檢測(cè)的標(biāo)記物種類(lèi)不同，數(shù)量不同。此外，如前所述，獨(dú)立于各種分析技術(shù)，呼吸樣品采集和存儲(chǔ)的不統(tǒng)一都構(gòu)成了其他一些主要的差異。創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化呼吸樣品采集和存儲(chǔ)方法是產(chǎn)生可靠結(jié)果的挑戰(zhàn)。此外我們還需要大量的臨床實(shí)驗(yàn)研究，以確定呼吸氣體試驗(yàn)在腫瘤患者中干預(yù)和改善生存率方面是否具有遠(yuǎn)期的效果，從而真正評(píng)判其價(jià)值。

表1 呼吸分析檢測(cè)肺癌的性能以及生物標(biāo)記物

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突