人类呼出气检测在肺结核诊断及疗效、预后判断中的应用进展

汤秦，王利民(四川医科大学临床医学院，四川泸州646000；四川绵阳四○四医院 川北医学院第二附属医院)



人类呼出气检测在肺结核诊断及疗效、预后判断中的应用进展

汤秦1，王利民2(1四川医科大学临床医学院，四川泸州646000；2四川绵阳四○四医院 川北医学院第二附属医院)

摘要：肺结核是威胁人类健康的主要传染病之一，快速、准确的诊断对于肺结核的管理和控制尤为重要。正常人呼出气中主要包括挥发性有机化合物(VOCs)和呼出气冷凝液(EBC)，通过呼出气检测可检出肺结核特异性VOCs，并作为诊断肺结核的生物标志物，实现对肺结核的快速诊断，而EBC检测在肺结核诊断中的研究较少。通过检测EBC中H2O2和NO含量可在一定程度上反映肺结核的疗效及判断预后，而目前关于呼出气VOCs检测与肺结核疗效、预后判断的关系仍处于空白阶段，需进一步研究证实。呼出气检测具有快速、无创、灵敏度高等特点，其在肺结核的诊断及疗效、预后判断等方面具有较高的临床价值。

关键词：肺结核；呼出气；挥发性有机化合物；呼出气冷凝液

结核病是由结核分枝杆菌侵入人体后引起的一种慢性消耗性疾病，是致命的传染病之一。2014年我国新发肺结核患者约93万，位列全球第三位。快速、准确的诊断技术对于结核病的管理和控制尤为重要，而目前应用的涂片镜检和培养等传统细菌学检测方法分别存在灵敏度低和检测周期过长等缺点[1]，可能导致结核病检出率低甚至延误病情等。呼出气检测具有快速、无创、灵敏度高等特点，已经逐渐应用于临床，有望成为诊断肺结核及评价病情的重要方法。现对呼出气检测在肺结核诊断及疗效、预后判断中的应用进展综述如下。

1人类呼出气成分

1.1挥发性有机化合物(VOCs)正常人呼出气中的VOCs成分非常复杂，目前已检测到的VOCs共3 000多种，每个人呼出气中的VOCs为150～200种，主要成分为烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃类及硫烃类[2]。人体细胞代谢脂质氧化过程的最终产物是碳氢化合物，其在血液中的溶解度极低，但可通过血液循环进入呼吸系统，最终由呼吸系统排出体外[3]。因此，通过检测人体呼出气中特定的VOCs，可以对机体生理、病理状态进行评估。人体呼出气中VOCs水平很低，通常在nmol/L～pmol/L的数量级之间，所以其成分检测所需要的方法和技术要求均很高。随着科学技术的发展，目前已发现检测VOCs的多种方法，如气相色谱、选择离子流动管质谱、质子转移反应质谱等[3～6]。

1.2冷凝液呼出气通过冷凝装置可以收集到水和可溶于水的各种物质，即呼出气冷凝液(EBC)。EBC中许多成分来源于下呼吸道液体，而气道内衬液体是呼吸道的防御屏障，可以抵御吸入性氧化物、病原微生物以及过敏原等对呼吸道的侵袭。因此，检测EBC的成分及其浓度变化可评价呼吸道疾病的治疗效果。

2呼出气检测在肺结核诊断中的应用

2.1VOCs检测结核分枝杆菌代谢产物及结核杆菌感染宿主氧化应激能产生VOCs，可通过被动扩散从血液穿过肺泡进入呼吸气中。呼出气检测可检出肺结核特异性VOCs，并作为诊断肺结核的生物标志物，实现对肺结核的快速诊断。

Wilson等[7]使用14个导电聚合物传感器电子鼻检测了35份体外培养细菌的VOCs，结果显示能够100%从其他细菌中识别出结核杆菌，且能区分痰液标本中是否含有结核分枝杆菌、鸟结核分枝杆菌、绿脓杆菌或混合感染。2007年，Phillips等[8]发现，肺结核患者呼出气中VOCs与体外培养结核杆菌检测到的VOCs有相似的成分；该研究采用12种VOCs诊断肺结核，其敏感性和特异性均为100%，并且可以通过特异性VOCs标志物区分痰培养阳性和阴性患者。2010年，Phillips等[9]又对226例有症状的高风险肺结核患者进行呼出气VOCs检测，以4-甲基十二烷、2-己基环己烷、十三烷等10种VOCs作为活动性肺结核标记物，发现其诊断高风险活动性肺结核的阳性准确率达85%，敏感性为84%、特异性为64.7%。2012年，Phillips等[10]以萘的衍生物、苯和烷烃作为肺结核和结核分枝杆菌代谢产物的VOCs标记物，使用6分钟床旁呼出气检测VOCs，发现该方法能准确识别活动性肺结核，其准确率可达80%，敏感性为71.2%、特异性为72%。以上研究均证实，呼出气VOCs检测可快速、准确地诊断肺结核。

通过对肺结核患者呼出气VOCs成分的检测，发现许多诊断肺结核的呼出气VOCs标志物[11～13]，其中具有较高诊断价值的有烟酸甲酯、对甲氧基苯甲酸甲酯和邻苯基苯甲醚等。Syhre等[14]通过固相微萃取和气相色谱/质谱法确认了4个化合物(烟酸甲酯、甲氧基苯甲酸甲酯、甲基苯乙酸和邻苯基苯甲醚)是结核分枝杆菌和体外培养结核分枝杆菌的挥发性代谢产物，并发现痰菌阳性的肺结核患者烟酸甲酯水平明显高于不吸烟的健康对照人群。为了明确这些生物标记物的来源，Syhre等[15]分别检测了食品、化妆品、肺结核治疗药物等中的VOCs，认为烟酸甲酯和邻苯基苯甲醚更适合作为诊断结核杆菌感染的挥发性标志物。研究发现，烟酸在结核分枝杆菌代谢的氧化还原过程中起重要作用，对甲氧基苯甲酸的前体是水杨酸，而水杨酸已被证实是对结核分枝杆菌的铁摄取有重要意义[16,17]。因此，烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸甲酯可能成为肺结核患者呼出气VOCs的诊断标记物。邻苯基苯甲醚是结核分枝杆菌通过甲氧基-2-羟基苯基生物脱硫的产物[18]，可能是肺结核诊断的另一个呼出气VOCs标记物。

呼出气VOCs检测可快速分辨痰菌阳性患者，是诊断活动性肺结核的一个快速、准确、无创的新方法。但在目前研究中存在以下几个问题：①以上研究仅以健康人群作为对照，结核合并细菌或其他病菌感染也可以引起氧化应激，不能排除其导致的呼出气VOCs升高；②结核分枝杆菌代谢及肺结核患者氧化应激产生VOCs的机制尚不明确；③缺乏标准化的VOCs收集及检测方法，导致其检测结果差异较大；④研究结果多来自较小的试点研究，需要扩大样本量进一步研究，以确认VOCs在肺结核中的诊断价值。

2.2EBC检测EBC检测具有操作简单、无创、患者易接受等优点，在肺癌、支气管哮喘、肺炎等疾病中的研究较多，但在肺结核病诊断中的相关性研究较少。Adams等[19]采用单颗粒气溶胶质谱法对EBC进行检测，结果显示可以从其他分枝杆菌中区分结核分枝杆菌，提示单颗粒气溶胶质谱法有望成为快速筛查肺结核病EBC的新技术。Jain等[20]在初诊活动性肺结核患者EBC中未检测到结核分枝杆菌的IS6110 DNA重复元件，认为结核分枝杆菌不能在EBC中生长。

2.3NO检测呼出气NO(eNO)检测在哮喘中的应用已被美国胸科学会和欧洲呼吸协会认同[21]，而在结核病中是否具有同样的诊断价值尚不明确。Van Beek等[22]发现，eNO检测对于肺结核的直接诊断价值比较有限，但是其筛查潜在肺结核的敏感性(84%)和特异性(67%)均较高。因此，eNO检测有望成为潜在肺结核的筛查方法。

3呼出气检测在肺结核疗效、预后判断中的应用

3.1EBC检测结核分枝杆菌对呼吸道具有强烈的刺激作用，促使单核巨噬细胞破裂，产生大量活性氧和氮中间体。其中H2O2和NO可以从肺泡衬液中蒸发，EBC中H2O2和NO含量可反映呼吸道炎症反应和局部氧化应激情况，由此判断肺结核的疗效和预后。Kwiatkowska等[23]检测了16例活动性肺结核患者抗结核治疗前及治疗后2个月EBC中H2O2含量及血清IL-18水平，发现患者气道氧化应激反应在成功抗结核治疗2个月后降低。Ralph等[24]研究发现，EBC中NO的降低不利于肺结核的治疗，其含量与肺结核患者的病情严重程度相关。因此，通过检测EBC中H2O2和NO的含量可在一定程度上反映疗效及判断预后，但这方面的研究较少，需进一步研究。

3.2同位素标记检测稳定的同位素标记检测是肺结核患者呼出气检测中的另一个研究方向。Mirbagheri等[25]研究发现，尿素14C呼气试验可以作为评估肺结核治疗效果一种手段。Jassal等[26]使用结核杆菌动物模型，在异烟肼治疗后2个月直接用13C标记的尿素氮进行肺内灌注，13C尿素氮通过结核菌脲酶活性在体内转化为13CO2，能够通过呼吸测试检测出来。结核分枝杆菌中存在一定数量的CO脱氢酶，CO可被其转化为CO2排出。Maiga等[27]通过检测感染结核分枝杆菌动物模型中被标记的CO2，可快速识别出感染动物模型。异烟肼是通过结核分枝杆菌katG基因酶活化为乙酰异烟肼自由基，进而发挥抗结核作用。Choi等[28]使用15N标记异烟肼，并通过质谱仪检测被感染动物呼出气体中是否有标记过的氮气，证实该方法可以快速检测出对异烟肼敏感的结核病。呼出气中同位素检测可能会成为肺结核诊断和评估疗效的一个快速检测手段，但目前研究仍停留于小样本的细胞试验和动物试验阶段，要实现真正的临床应用还需扩大样本，进一步验证肺结核呼出气同位素检测的可重复性、准确性和特异性。

3.3VOCs检测目前，关于呼出气VOCs检测与肺结核病治疗疗效、预后判断的关系尚无相关研究[29]，可作为未来重点研究的方向之一。

综上所述，呼出气检测具有快速、无创、特异性高、取样方便等特点，有很好的发展前景。虽然呼出气检测在疾病诊断中已有20多年发展历史，但在肺结核方面的研究还处于初步阶段，国内尚无相关文献报道，而国际上关于肺结核呼出气检测缺乏统一标准的采集方法、分析方法以及参考值。因此，临床上仍需对肺结核患者的呼出气检测进行深入研究。

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(收稿日期：2015-07-25)

中图分类号：R473.5

文献标志码：A

文章编号：1002-266X(2016)12-0099-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2016.12.038

通信作者：王利民(E-mail: wlm404@aliyun.cn)

基金项目：四川省卫生和计划生育委员会科研基金资助项目(150170)；绵阳市科学技术局科研基金资助项目(13S001-11)。