電子鼻檢測技術(shù)在支氣管哮喘診斷方面的研究進展

冉啟娟, 李芳偉, 萬毅新

(1.蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院, 甘肅 蘭州, 730030; 2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)學(xué)院 呼吸內(nèi)科, 甘肅 蘭州, 730000)

支氣管哮喘表現(xiàn)為喘息、氣短、胸悶和咳嗽，與氣道高反應(yīng)性和氣道炎癥有關(guān)，導(dǎo)致氣道重構(gòu)，隨著氣流受限強度和時間變化，氣流受限可能持續(xù)存在[1]。揮發(fā)性有機化合物(VOC)檢測通過冷卻呼出揮發(fā)性氣體得到冷凝液，測定冷凝物中的各種炎癥介質(zhì)水平來反映肺部疾病的炎癥狀態(tài)[2-4]。目前氣相色譜-質(zhì)譜是檢測VOC靈敏度和特異性較高的標準方法，但成本昂貴、分析時間長，而電子鼻分析方法具有非侵入性、快速、便攜式、經(jīng)濟的優(yōu)點[5-6]。本文總結(jié)電子鼻檢測VOC在支氣管哮喘診斷方面的最新進展。

1 電子鼻檢測原理及影響因素

1.1 電子鼻檢測原理

電子鼻有3個系統(tǒng)，傳感器陣列系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和模式識別系統(tǒng)，其主要元件是氣體傳感器陣列部件，通常被放置在一個可控制濕度和溫度的腔室中[7], 通過(傳感器陣列系統(tǒng))模仿哺乳動物的嗅覺，對尿液、血液、呼吸道中VOC進行檢測。當接觸到VOC時，傳感器里面的物理性質(zhì)將會發(fā)生變化，從而變成可以被測量和量化的特異性呼吸信號(呼吸印記)[8]。目前，電子鼻檢測已被應(yīng)用于囊性纖維化、肺癌、慢性阻塞性肺疾病、胃腸道疾病、結(jié)腸癌和膀胱癌等的診斷中[9-10]。人體呼吸系統(tǒng)能攜帶多種VOC, 而電子鼻檢測傳感器可同時與多種VOC發(fā)生反應(yīng)，且能通過多個傳感器捕獲到具有重疊的VOC, 在復(fù)雜多變的呼吸信號判定方面具有顯著優(yōu)勢。

1.2 VOC來源及分類

VOC主要分為外源性VOC和內(nèi)源性VOC。外源性VOC通常存在于室內(nèi)空氣和特定的化合物中，例如建筑材料(油漆)、吸煙、殺蟲劑、消毒劑等，主要包括醇類、醚類、醛類、苯類、烯類、酮類、烷類，其中以丙醇、甲醛、間二甲苯、異戊二烯、丙酮、氰甲烷等為標志物，且有報道[11-14]稱其濃度變化主要與VOC的來源環(huán)境(室內(nèi)和室外)、季節(jié)變化(寒冷)存在顯著相關(guān)。內(nèi)源性VOC則主要來自于人體的呼吸、唾液、血液、皮膚分泌物、尿液和糞便，與年齡、飲食、性別、身高、體質(zhì)量、生活方式以及個體新陳代謝有關(guān)[15]。丙酮和異戊二烯是呼吸系統(tǒng)中最豐富的VOC，與清潔劑和消毒劑相關(guān)的VOC以1-丙醇、2-丙醇和乙醇為主，與吸煙存在高度相關(guān)性的VOC為氰甲烷、苯和環(huán)己二烯等，在成年男性中異戊二烯的水平更高[16]。

1.3 電子鼻檢測的影響因素

電子鼻檢測技術(shù)關(guān)鍵影響因素是檢測環(huán)境(如房間空氣質(zhì)量、濕度和溫度)和個體差異，因此在收集VOC前，待檢測的患者應(yīng)當避免吸煙、劇烈運動和使用藥物等[17]。歐洲呼吸學(xué)會建議在電子鼻對呼出的VOC取樣過程中，應(yīng)當注意如食物、飲料攝入和妊娠等非疾病相關(guān)因素，對于重癥監(jiān)護病房的患者可以通過呼吸機管道回路進行采樣。丙酮和異戊二烯在支氣管哮喘中含量豐富且有節(jié)律性, 16點達到峰值, 10點出現(xiàn)低谷，因此建議VOC取樣可根據(jù)節(jié)律性進行。年齡和性別并不影響電子鼻對VOC的檢測[18]。呼出氣體的體積、溫度、濕度不影響電子鼻傳感器的讀數(shù)大小，但呼氣流量與傳感器讀數(shù)呈線性相關(guān)[19]。改變呼氣流量能顯著影響電子鼻對呼吸模式的評估能力，從而體現(xiàn)出對VOC的不同分析能力[20]。但電子鼻洗氣過程中呼吸節(jié)律的變化并不影響對VOC的分析。研究[21]表明室內(nèi)和室外的空氣由于缺乏通風, VOC對肺部疾病產(chǎn)生中等影響，包括支氣管哮喘和喘息發(fā)作，且因國家、年齡、疾病類型等有差異。

2 支氣管哮喘與VOC的關(guān)聯(lián)性

支氣管哮喘是一種呼吸系統(tǒng)慢性炎癥性疾病，支氣管細胞內(nèi)存在氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，從而產(chǎn)生VOC, VOC與呼吸道上皮和黏膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[22-23]。這種化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果是可以通過檢測抗原物質(zhì)的IgE抗體得到的，這是觸發(fā)氣道炎癥反應(yīng)的根本原因，同時還可以使呼吸道細胞脫水導(dǎo)致氣道重塑[24-25]。B?NISCH U等[26]發(fā)現(xiàn)VOC可能通過干擾成熟樹突狀細胞功能和誘導(dǎo)氧化應(yīng)激來增加過敏性反應(yīng)，考慮將VOC作為過敏性疾病發(fā)展的危險因素。WANG F等[27]研究表明VOC改變了微小RNA調(diào)節(jié)基因表達的模式，從而導(dǎo)致癌癥和炎癥性疾病的發(fā)生。KAWANO T等[28]證實VOC之一的乙醛可導(dǎo)致部分支氣管哮喘患者氣管收縮，可增強支氣管哮喘患者的氣道炎癥及氣道高反應(yīng)性。研究[29]發(fā)現(xiàn)在成人支氣管哮喘中呼出的VOC與炎癥有關(guān), VOC可以作為識別支氣管哮喘的候選生物標志物。CALDEIRA M等[30]發(fā)現(xiàn)十四烷、癸烷和壬醛可作為過敏性哮喘的潛在呼吸生物標記物。有研究[31]發(fā)現(xiàn)生活在吸煙家庭環(huán)境中的兒童，出現(xiàn)喘息發(fā)作的可能性是非吸煙家庭的4倍。SAIF N T等[11]認為油漆是室內(nèi)VOC來源之一，需要采取多種策略來管理油漆中VOC對健康的影響。酮類與支氣管哮喘的急性發(fā)作有關(guān)，苯與重度的哮喘癥狀呈中度正相關(guān)[32-33]。乙烷是由氧化應(yīng)激引起的脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，在FEV1預(yù)測值<60%的支氣管哮喘患者中，乙烷的含量高于FEV1預(yù)測值>60%的支氣管哮喘患者，但在經(jīng)過類固醇治療的支氣管哮喘患者中減少，提示乙烷可能是支氣管哮喘治療效果的潛在生物學(xué)標志物[34]。

3 電子鼻在支氣管哮喘診斷方面的應(yīng)用

3.1 電子鼻對支氣管哮喘的診斷能力

支氣管哮喘目前常用肺功能進行診斷，但對于兒童和老人，往往無法正確配合肺功能檢查，這就迫切需要替代的診斷工具[35]。FARRAIA M等[36]通過電子鼻分析呼出的 VOC 曲線，可用作篩查支氣管哮喘癥狀控制不佳患者的一種快速、無創(chuàng)的評估工具。BRINKMAN P等[37]通過一項前瞻性研究比較氣相色譜-質(zhì)譜和電子鼻技術(shù)測量呼出的VOC區(qū)分臨床穩(wěn)定型支氣管哮喘和未控制型支氣管哮喘診斷率分別為77%、86%。臨床新開發(fā)了一種基于金屬氧化物半導(dǎo)體與肺活量測定法的電子鼻，使用該電子鼻技術(shù)，支氣管哮喘的診斷準確率為87%[38]。電子鼻可以在年齡配對的情況下區(qū)分支氣管哮喘患者與非吸煙健康者(準確率分別為100%和90%), 但是并不能區(qū)分輕度和重度支氣管哮喘[39]。FENS N等[40]研究證實，呼出VOC譜在區(qū)分支氣管哮喘和慢性阻塞性肺疾病中診斷率可分別達到88%、83%。DRAGONIERI S等[41]發(fā)現(xiàn)電子鼻可以區(qū)分過敏性鼻炎患者是否伴隨支氣管哮喘。一項多中心橫斷面研究[42]發(fā)現(xiàn)，電子鼻可以鑒別支氣管哮喘臨床表型(嗜酸性粒細胞型、中性粒細胞型)。MEYER N等[43]證實VOC可以區(qū)分健康和支氣管哮喘受試者(敏感性為100.0%, 特異性為91.1%), 并通過聚類分析發(fā)現(xiàn)支氣管哮喘患者臨床癥狀相似但VOC譜不同, VOC譜相似但臨床特征不同的支氣管哮喘簇。TENERO L等[44]在一項橫斷面研究中發(fā)現(xiàn)VOC能夠區(qū)分兒童支氣管支氣管哮喘是否得到控制。

3.2 電子鼻預(yù)測與監(jiān)測能力

電子鼻對支氣管哮喘診斷率與呼出氣一氧化氮、痰中嗜酸性粒細胞接近，但通過VOC分析比一氧化氮、痰中嗜酸性粒細胞更能準確地預(yù)測類固醇反應(yīng)，并對支氣管哮喘患者后續(xù)治療方案的制訂具有一定的指導(dǎo)意義[45]。SMOLINSKA A等[23]發(fā)現(xiàn)呼出的VOC可以鑒別暫時性喘息、健康、支氣管哮喘兒童，能預(yù)測支氣管哮喘的后續(xù)發(fā)展，并指導(dǎo)支氣管哮喘的早期治療。相關(guān)研究[46]對呼出的VOC進行分析發(fā)現(xiàn), VOC可以篩選出需要使用類固醇治療的兒童支氣管哮喘患者。LAMMERS A等[47]通過一項前瞻性試驗發(fā)現(xiàn)鼻病毒感染成人健康組和支氣管哮喘組后，支氣管哮喘組電子鼻波動迅速增加，表明電子鼻技術(shù)還可以用于監(jiān)測病毒感染后的支氣管哮喘發(fā)作，從而指導(dǎo)后續(xù)治療。

4 總 結(jié)

電子鼻是臨床新檢測技術(shù)，可通過檢測VOC來了解支氣管哮喘患者的病情以及鼻炎患者是否伴隨支氣管哮喘，對于早期快速篩查支氣管哮喘、評估類固醇治療效果以及預(yù)測類固醇反應(yīng)，是一種經(jīng)濟、快速和診斷率高的診斷方法。