CO2呼气试验和H2呼气试验的临床应用

赵思倩，陈宝军，罗志福

(中国原子能科学研究院，北京　102413)



CO2呼气试验和H2呼气试验的临床应用

赵思倩，陈宝军，罗志福

(中国原子能科学研究院，北京102413)

摘要：呼气试验简单无创、灵敏度高、特异性较强，受到研究者的关注。本文介绍了CO2呼气试验和H2呼气试验的临床应用。CO2呼气试验的主要应用有胃幽门螺杆菌检测、肝功能检测、胃排空检测、胰岛素抵抗检测和胰腺外分泌测定等。H2呼气试验可用于诊断乳糖吸收不良和检测小肠细菌过度生长。随着进一步的研究，呼气试验因其高灵敏度，非侵入性，有望应用于更多疾病的诊断。

关键词：呼气试验；肝功能检测；胃排空测试

呼气试验是通过口服或静脉注射的方式给予受检者一定量的实验底物，该底物在机体内分解代谢后，产生某种特定气体并呼出体外，通过检测受检者呼出特定气体速率、总量等参数，并将其与健康人群相同检测情况下的参数对比，从而判断受检者某器官组织的代谢状况。近些年来呼气试验被广泛研究且应用于胃肠病学、肾病学、血液病学中[1]，其中临床应用较多的是胃幽门螺杆菌的检测、肝功能评估和胰腺分泌功能评估。本文对几类常见的CO2呼气试验及H2呼气试验进行综述。

1　CO2呼气试验

CO2呼气试验是呼气试验一个很重要的分支。实验底物的标记核素有放射性14C和非放射性13C，产生的14CO2可用液体闪烁计数仪进行测量，13CO2一般采用质谱仪或红外线谱仪进行测量。CO2呼气试验在临床中已有应用。

1.1胃幽门螺杆菌检测

1983年Marshall和Warran[2]从人的胃黏膜组织中培养出了幽门螺杆菌(helicobacter pylori, Hp)，在临床治疗实践中证实其是引起慢性胃炎和消化性溃疡的致病细菌，1994年世界卫生组织已将Hp列为第一类致癌因子。Hp感染可引起多种胃病，包括胃炎、胃溃疡、十二指肠溃疡、非溃疡性消化不良、胃癌等。因此，及时、准确诊断胃内有无Hp感染非常重要。

目前临床检测胃Hp的方法有很多，如常见的快速尿素酶实验、Hp抗体检测、病理组织切片、细菌培养等。虽然上述检查方法发展成熟且广泛使用，但操作繁琐、有创或有交叉感染。近年来，尿素呼气试验(urea breath test, UBT)因具有操作简单、无创、灵敏度高等优点而在临床广泛使用并逐步取代传统检测方法。

UBT检测胃Hp的原理是：Hp富含具有内源性、特异性的尿素酶，可将尿素分解为NH3和CO2，CO2被小肠吸收入血液后进入体内循环并随呼气排出。根据上述原理，给予受检者13/14C标记的尿素，然后检测受检者呼出气体中13/14CO2的含量，如果含量超出正常参考值范围，说明受检者胃里存在幽门螺杆菌感染；如果在正常参考值范围内，表明受检者胃里没有幽门螺杆菌。目前UBT在胃Hp的临床诊断中已有较多应用。

最早的UBT采用13C-尿素做实验底物，13C是稳定同位素，儿童及孕妇都可使用。资料显示[3-4]，13C-UBT诊断Hp的灵敏度96.2%，准确率96.8%，特异性为100%。后来建立了14C-UBT方法，即用14C-尿素进行呼气试验。通过对128例受检者进行14C-UBT临床研究，结果表明14C-UBT灵敏度95.7%，准确率96.1%，特异性96.6%[5]。

通常14C-UBT给予受检者的剂量是37 kBq (1 μCi)，有研究者实验了在更小剂量18.5 kBq时的检测效果。对161例患者诊断结果表明[6]：放射性核素用量减少降低了费用，但对实验的特异性和敏感度并无影响。另外，14C虽为放射性核素，但呼气试验摄入的剂量极低，对人体不会造成危害。

1.2肝功能检测

肝脏具有重要的生理功能，肝脏功能的准确检测具有重要的临床意义。最常见的肝功能检查方法有肝活检、影像学检查、血液生化检查等。在临床及理化指标不能明确诊断的情况下，肝活检有助于明确病因，为确定治疗方案提供有力依据[7]，然而由于其有创等缺点使很多患者难以接受。影像学检查作为一种无创性检查方法能够对肝脏组织进行全面观察，在肝功能检查中占有重要地位，主要包括X线检查、磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)检查、超声(ultrasonography, US)检查及放射性核素显像。通过血液生化检查反映肝功能的实验种类很多，但反复抽血而给患者带来一定的痛苦。除了上述传统的检查方法外，呼气试验因其无创、特异性强、灵敏度高的特点应用在肝功能的检测中。通常根据标记底物主要代谢场所的不同，将检测分为肝脏微粒体功能检测、肝脏线粒体功能检测和肝脏细胞质功能检测。

1.2.1肝脏微粒体功能检测

1) 氨基比林呼气试验(aminopyrine breath test, ABT)。ABT研究最早且使用最多，用于测定肝脏微粒体细胞色素P450酶活性和肝细胞功能实验。氨基比林即二甲基氨基安替比林几乎特异地存在于肝脏中，代谢途径为在肝脏微粒体细胞色素P450等酶的催化下，去除N位两个甲基生成氨基安替比林，去除的两个甲基氧化生成甲酸，再脱羧生成CO2。因此，可以通过检测摄入标记的氨基比林后呼气中带标记的CO2量反映肝细胞微粒体P450酶系的功能。ABT在临床中的应用主要有：肝硬化预后评估、诊断酒精性肝硬化、区分原发性胆汁性肝硬化和胆汁淤积性肝硬化等。Herold等[8]通过对367例乙型和丙型肝炎患者进行研究，指出ABT与肝脏组织的炎症、纤维化程度及Child-Pugh分级有很好的相关性。

2) 美沙西汀呼气试验(methactin breath test, MBT)。MBT是研究较多的一种检测肝脏储备功能的方法。美沙西汀口服经肠道吸收后进入血液循环，在肝细胞微粒体混合功能氧化酶作用下代谢最终产生CO2，因此氧化酶系的活性和储备能力直接影响美沙西汀代谢分解产生CO2的速度和量。任何原因引起的肝细胞损伤，都可使肝细胞微粒体混合功能氧化酶系的功能受不同程度的影响，使其去甲基化能力下降，从而表现为CO2的总收率下降[9]。MBT在慢性肝损伤、急性肝损伤、非酒精性脂肪性肝病等的检测中都有重要应用。MBT能够区分肝硬化与非肝硬化，且与传统Child-Pugh分级有很好的相关性。

3) 非那西汀呼气试验(phenacetin breath test, PBT)。非那西汀在肝脏细胞混合功能氧化酶系P450的作用下生成乙醇和乙醛，再经过三羧酸循环生成CO2。PBT结合尿检查可用于评估肝病患者肝功能。

4) 咖啡因呼气试验(caffeine breath test, CBT)。咖啡因在肝细胞微粒体氧化酶作用下去甲基氧化生成CO2。CBT能反映不同程度的肝功能损害，常作为研究内源性和外源性化合物对P450酶系活性影响的方法。但由于大量摄入咖啡因对人体有害，限制了CBT的进一步应用。

5) 红霉素呼气试验(erythromycin breath test, ERMBT)。红霉素在肝细胞内的代谢与咖啡因相同。研究表明[10]，ERMBT是公认的特异性检测体内CYP3A酶活性的常规方法，可以预测血液中环孢霉素水平，辅助提供免疫抑制剂合理用量的信息。

1.2.2肝脏线粒体功能检测

1) 蛋氨酸呼气试验(methionine breath test, MeBT)。蛋氨酸的代谢十分复杂，涉及多种酶和维生素，由于其他组织缺乏蛋氨酸代谢过程所需的一种或多种酶，所以其主要在肝脏线粒体代谢产生CO2。MeBT实验的临床应用主要有：评定外源性物质诱导的线粒体功能异常、诊断非酒精性脂肪肝和肝硬化病情、评估肝移植患者移植肝存活等。MeBT能以较高的灵敏度和特异性区分正常组和实验组，聂秀利等[11]指出，MeBT可评估肝脏线粒体功能及氧化应激后线粒体残余功能，可有效反映肝细胞线粒体功能。

2) α-酮异戊酸呼气试验(α-Ketoisocaproic breath test, α-KICABT)。α-酮异戊酸在体内的一种代谢途径是在肝细胞线粒体复合酶作用下氧化脱羧生成CO2。α-KICABT能有效区分酒精性脂肪肝和非酒精性脂肪肝，探测外源性物质如酒精对线粒体的毒素作用。目前该项研究较少[12]。

3) 辛酸呼气试验(octanoic breath test, OBT)。辛酸在线粒体内氧化生成乙酰辅酶A，再经过三羧酸循环生成CO2，因此OBT能作为肝脏线粒体功能的检测手段。Shalev等[13]研究表明，急性肝炎和肝硬化中辛酸脱羧作用有所下降。

1.2.3肝脏细胞质功能检测

1) 苯丙氨酸呼气试验(phenylalanine breath test, PheBT)。苯丙氨酸在肝脏细胞质多种酶的共同作用下，经过多步代谢最终产生CO2。其中，苯丙氨酸羟化酶是整个代谢过程中的限速酶，因此PheBT可以检测肝细胞质中苯丙氨酸羟化酶的活性，并反映肝脏细胞质的健康状况。PheBT不仅可以反映肝功能的储备状况和再生能力，还能准确判断肝硬化的严重程度，区分不同Child-Pugh分级的肝硬化患者。此外，PheBT能够定量而精确地评价慢性肝损伤动物模型的肝储备功能和肝损伤程度[14]。

2) 半乳糖呼气试验(galactose breath test, GBT)。人体内的半乳糖在肝细胞质内限速酶——半乳糖激酶的作用下代谢产生CO2。研究显示，GBT结果在健康组、肝炎患者、肝硬化患者之间存在显著差异，GBT可对慢性及非硬化性肝脏疾病的发展以及预后作出判断，特别是为抗纤维化治疗效果的评价提供了新的检测指标[12]。

1.3胃排空测试

肠动力是人体重要生理功能之一，胃肠动力与胃肠疾病有着密切的关系，而胃排空功能是胃肠动力的重要部分，是反映胃肠功能的主要指标。近年来有研究表明肝硬化过程中存在胃肠动力改变的情况，包括胃蠕动和胃排空功能下降，其严重影响患者的生活质量。此外，糖尿病患者也有胃动力障碍的并发症。

13C-辛酸呼气试验是近年来发展的一种新型检测固体胃排空的方法。13C-辛酸在胃内不被溶解析出，到达十二指肠时迅速被小肠黏膜吸收，在肝脏氧化代谢生成13CO2，随后经血液循环至肺再呼出，用质谱仪记录各时间13CO2含量来计算胃排空时间。整个过程中，固体食物在胃内排空为限速步骤。该方法灵敏度86%，特异性94%，具有安全无创、简便准确、可重复等优点，且适用于儿童、老人及孕妇。13C-辛酸呼气试验已应用于糖尿病患者胃排空的研究，并在动态评估药物对胃动力作用方面具有潜在应用价值。不过值得注意的是，Inamori等[15]报道中指出小剂量的酒精可能对胃排空产生延迟，影响呼气试验的结果。

1.4胰岛素抵抗检测

胰岛素抵抗是“三高”人群的代谢综合症表现之一，与糖尿病的发生密切相关。采用13C-葡萄糖呼气试验检测胰岛素抵抗的原理是：13C-葡萄糖经小肠吸收入血后，主要在胰岛素介导下在各组织中代谢分解生成13CO2和水，前者通过血液循环后由肺呼出。通过测定呼出13CO2的量可以反映体内胰岛素介导的葡萄糖分解代谢情况，间接了解体内胰岛素抵抗或胰岛素敏感性的程度[16]。13C-葡萄糖呼气试验与传统胰岛素抵抗检测金标准——高胰岛素正葡萄糖钳夹实验相比具有简便、无创、可重复的优点，且检测结果与临床胰岛素抵抗指数有良好的相关性。该实验国外已在临床应用。

1.5胰腺外分泌功能测定

慢性胰腺炎是我国的常见病，多伴随着外分泌功能的损伤。确诊慢性胰腺炎的重要依据是胰腺重碳酸盐分泌减少、胰酶分泌或排出量降低。除了影像学检查和通过一定方法刺激胰腺来测定胰酶分泌量的传统检查方法外，呼气试验也被用于胰腺外分泌功能检测的临床应用研究，以期建立一个无创简单可靠的临床实验方法。

1.5.113C-Hiolein呼气试验

13C-Hiolein是一种13C标记的长链三酰甘油的混合物。13C标记在脂肪酸的碳原子上，通过十二指肠中脂肪酶氧化水解、胆汁的乳化作用和正常肠粘膜的吸收，最终呼出13CO2，未被吸收的脂肪酸经粪便排出。13C-Hiolein呼气试验能有效检测胰腺外分泌功能。

1.5.213C-淀粉呼气试验

淀粉通过胰淀粉酶的作用水解为葡萄糖，可以用标记底物13C-淀粉来反映胰淀粉酶的分泌量。但是，影响13C-淀粉呼气试验的因素较多，限制了其广泛应用[17]。

1.5.313C-蛋白质呼气试验

胰腺分泌的糜蛋白酶能将蛋白质分解成多肽和氨基酸，大部分多肽和氨基酸氧化成CO2呼出体外，因此可以采用蛋白质呼气试验检测胰腺分泌功能。研究指出，十二指肠的糜蛋白酶量与卵蛋白质呼气试验有很好的相关性[18]。

2　H2呼气试验

1961年，Nelsen建立了H2呼气试验(hydrogen breath test, HBT)，用于诊断乳糖吸收不良症[19]。HBT的另一应用是小肠细菌过度生长检测。

HBT中实验底物不用核素标记，而是检测实验底物在体内代谢产生H2的含量。人类组织细胞代谢不产生H2，呼气中H2的唯一来源是肠道细菌对糖类的酵解。正常情况下，健康人的小肠内有抑制细菌过度生长的机制，因此小肠内是一种相对无菌的状态。但是，在胃酸降低、肠道运动异常等情况下，小肠细菌可能会过度生长。若小肠存在大量细菌，糖类物质在进入结肠前，被小肠细菌发酵分解产生H2，因此小肠细菌过度生长患者呼出气体中H2含量测定结果有以下特点：底物摄入后90 min内产生H2，增值量不小于20 ppm；会产生明显的双峰图形(小肠峰和结肠峰)[20]。

HBT用于小肠细菌过度生长检测所用底物多为糖类物质，如葡萄糖、乳果糖、乳糖等。HBT作为一种诊断小肠细菌过度生长的方法，具有简单无创、较准确、易被患者接受的优点。为保证测试结果的准确性，受检者在测试前要禁食易产H2类物质，如麦面制品和豆制品。

目前HBT的诊断标准很难统一，并且实验易受肠道动力、肠道pH和饮食等因素的影响，较难避免假阳性或假阴性结果的发生[21]，使得临床应用受阻。

3　呼气试验影响因素

呼气试验具有无创、操作简单、特异性强、灵敏度高等优点，但在应用中受到许多因素的影响。如尿素呼气试验中，患者近期服用的抑酸剂、铋剂、抗生素等药物对检测结果产生不同程度的影响[22]；上消化道出血影响尿素酶的活性，从而影响检查结果；此外，检测仪器的不稳定性也会对结果产生一定的影响，谢昌辉等[23]通过近5万个测试对13C红外光谱仪进行了质量控制研究，指出为了确保13C-UBT结果准确可信，应对13C红外光谱仪定期进行空白样本和标准品重复测试及随机空白样本测试。氨基比林呼气试验易受药物、酒精、患者基础代谢率及年龄的影响，并且在甲亢人群、大手术后病人和儿童中的应用有一定的限制。许多呼气试验因体内外干扰因素较多而难以在临床应用推广。

为了呼气试验更好地应用于临床，在安全实验的同时应采取一定的措施减少实验的不确定性。检测前，了解患者身体状况，近期有无经历过较大型手术，嘱咐患者近期停止摄入可能对检测产生影响的药物，详细讲解实验操作的注意事项，消除患者的恐惧或排斥心理，降低由于患者检测时配合度低导致的检测结果不准确；检测中，注意实验底物剂量的安全性，在安全剂量范围内，指导患者正确服用实验底物，准确把握集气时间点，正确向检测仪器吹气，避免不规范操作；检测后，叮嘱患者大量饮水，加快实验底物从体内排出，降低实验底物对人体可能产生的不良影响，此外，对检查结果呈阳性的患者提供正规治疗方案并提醒按时复查。上述措施可为患者的诊断提供帮助，使呼气试验更好的在临床应用。

4　小结

呼气试验灵敏度高，准确性好，属于非侵入性检测，具有较好的发展前景。随着对标记底物种类和制备方法进一步研究，检测方法进一步完善，检测标准的规范统一，呼气试验有望应用于更多疾病的临床诊断。

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收稿日期：2016-01-20;修回日期：2016-04-17

作者简介：赵思倩(1991—)，女，甘肃陇南人，硕士研究生，有机合成专业 通信作者：罗志福，研究员，E-mail: luozhifu@ciae.ac.cn

中图分类号：R817

文献标志码：A

文章编号：1000-7512(2016)03-0170-06

doi：10.7538/tws.2016.29.03.0170

Clinical Applications of CO2and H2Breath Test

ZHAO Si-qian, CHEN Bao-jun, LUO Zhi-fu

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

Abstract:Breath test is non-invasive, high sensitivity and high specificity. In this article, CO2 breath test, H2 breath test and their clinical applications were elaborated. The main applications of CO2 breath test include helicobacter pylori test, liver function detection, gastric emptying test, insulin resistance test, pancreatic exocrine secretion test, etc. H2 breath test can be applied in the diagnosis of lactose malabsorption and detecting small intestinal bacterial overgrowth. With further research, the breath test is expected to be applied in more diseases diagnosis.

Key words：breath test; liver function detection; gastric emptying test