本文首发于公众号「呼气试验」，此处为归档版本。

代谢组学与基因组学   

基因是一个人生物功能的蓝图。尽管多年来一直专注于人类基因组的研究，并取得了一些重大进展，但基因组学还没有充分实现其帮助我们理解和治疗疾病的潜力。

在过去十年中，已经进行了数百次全基因组关联研究（GWAS），以确定与一系列人类疾病相关的基因组区域。GWAS未能解释任何疾病的所有遗传性。导致常见疾病的变体中只有10%位于编码DNA序列内。其余的位于基因组的非编码区，或基因间区。

《科学》杂志的一篇重要文章强调，导致癌症的突变中只有5%归因于遗传性突变，而更大一部分被认为是由正常DNA复制过程中发生的随机复制错误造成的。此外，单个突变很少导致疾病—通常需要多个突变。

最终，基于基因组数据的生物标志物提供了关于疾病易感性的信息，但可能缺乏关于当前疾病活动的细节。在大多数情况下，疾病是多种遗传和表观遗传属性与环境因素、饮食和生活方式的选择以及微生物组相互作用的结果—所有这些因素结合起来产生了表型，而表型是由代谢组最密切反映的。

诊断与精准医疗中的代谢组学

生物体的新陈代谢是维持生命的一系列生化过程。新陈代谢活动产生各种被称为 “代谢物 “的小分子。循环代谢物的类型和数量对所有生命系统的功能至关重要：这种生化组成也被称为代谢组。

代谢变化是许多细胞过程的最终产物，标志着内部和环境影响的汇合。因此，所有代谢物的整体识别和量化（代谢组学）可以被视为与表型有最直接联系的组学学科。因此，代谢物分析可以被视为具有识别强大的相关生物标志物的最大潜力。

代谢物可以提供对发展中的疾病状态的早期洞察力，因为它们反映并放大了较低的基因组、转录组和蛋白质组水平的扰动数千倍。由于代谢变化存在于疾病的最早阶段，代谢物提供了一条早期诊断的途径，可以挽救生命。

此外，代谢物是区分相关疾病状态的理想选择，可对患者的治疗反应进行分层，并监测毒性和其他药物的相互作用。

呼吸活检提供了一种非侵入性的方法来捕捉呼出的气体中存在的挥发性代谢物。它可以快速而详细地了解整个身体的功能，以及与疾病相关的代谢变化。

通过呼吸进行全身取样

传统的呼吸采样方法依赖于收集一次呼吸，提供体内存在的VOCs的一个小快照。采样技术的新进展允许在较长的时间内收集呼吸，从而能够收集来自整个身体的VOCs。

在呼吸样本中捕获来自整个身体的挥发性有机化合物的能力是非常强大的。首先，呼吸能够对挥发性代谢组进行 “全身采样”。其次，这使得呼吸中的VOCs可以作为广泛的疾病的生物标志物，而不仅仅是肺部疾病。

对广泛的疾病进行全身采样

由于肺部和循环系统之间化学品的有效交换，每次呼出的气体都含有来自血液的丰富的挥发性有机化合物。总的血液量在身体周围循环大约需要1分钟。那么，每一分钟，来自全身的VOCs到达肺部的肺泡，它们从血液中有效地进入肺泡空气，然后被呼出。

通过在几分钟内连续取样呼吸，可以以非侵入性的方式获得来自全身的VOCs概况（如下图所示）。

         

呼吸提供了一个了解更大量血液的窗口，使来自身体各处的VOC生物标志物能够被高灵敏度地捕获。

延长呼吸采集时间，提高VOC检测效果

在短短一分钟的时间内收集到的一些VOCs将以极低的浓度存在。通过收集和预浓缩在较长时间内（如10分钟）呼出的所有VOCs，即使是低浓度的VOCs也能被准确地捕获和量化。

Owlstone医疗公司的ReCIVA呼吸采样器在延长的采样时间内收集并预先浓缩呼吸中的挥发性有机化合物到呼吸活检盒中。这使得呼吸活检的灵敏度与众不同，并使其非常适合于检测低水平的生物标志物，这对早期疾病的检测非常关键。

呼吸活检与液体活检的比较

液体活检是对血液进行取样和分析，以确定诸如癌症等疾病。该技术可用于收集血液中的循环肿瘤细胞或肿瘤衍生的无细胞DNA/RNA。由于液体活检与传统活检相比，创伤性较小，该方法已经得到了应用。例如，液体活检在晚期癌症的治疗选择方面显示出有希望的结果。

液体活检有三个基本挑战：

1、循环肿瘤DNA/RNA（ctDNA/RNA）的存在量有限，尤其是在疾病的早期阶段。

2、血液只能进行少量采样，这限制了液体活检方法的敏感性。

3、检测ctDNA中的单一突变可能不是癌症的可靠指标，因此液体活检方法对癌症的早期诊断可能存在着低特异性。

Bettegowda等人报道，不到50%的I期癌症患者有可检测的ctDNA。值得注意的是，该研究使用了相对较大体积的血浆（5毫升）。这突出了液体活检的局限性，特别是在早期检测和筛查应用方面。

敏感度

代谢物VOC生物标志物在疾病的最早期阶段会发生改变。呼吸活检旨在检测和量化这些存在于极低浓度的 “早期预警 “挥发性有机化合物。这是可能的，因为与血液不同，呼吸可以按需取样，取样量实际上是无限的。

通过使用ReCIVA呼吸采样器进行长时间（约10分钟）的采样，VOCs被浓缩到呼吸活检盒上。与液体活检技术相比，VOC生物标志物的预浓缩极大地提高了呼吸活检的灵敏度，能够检测到疾病发生时存在的VOC生物标志物。

分析方面的优势

与液体活检相比，呼吸活检还具有实际优势。使用FAIMS等技术，VOCs的分析可以在几分钟内完成，使其快速且具有成本效益。另一方面，液体活检需要大量的样品准备和冗长的工作流程，以通过PCR或测序分析核酸。

监测呼吸中的VOCs随时间的变化

目前的许多测试并不适合长期、频繁地监测与疾病进展或治疗反应有关的生物标志物。程序可能太过侵入性，太过昂贵，需要使用有限的资源，或者对病人的健康有风险，而这种风险随着重复接触而增加。在组织和血液活检的情况下，可用于分析的材料数量也很有限。这意味着测试只被节约使用，往往只在晚期病例中提供确认性诊断。

呼吸是一个取之不尽的生物信息来源，可用于定期评估病人，以检测疾病的进展，衡量治疗反应或检测抗治疗的最初迹象。可以设想以类似于医院目前监测体温的方式收集病人的呼吸样本。

这种纵向的病人监测提供了比单一样本采集更丰富的数据来源。它们可以更清楚地说明每个病人与健康基线的对比情况，并揭示由潜在的生物变化引起的新趋势。

如果有必要，使用呼吸活检法收集呼吸，可以每小时从病人身上收集多个样本。结合外源性VOC探针（EVOC探针），呼吸活检还可以测量病人对选定的探针化合物的代谢反应，深入了解不同代谢途径和器官的功能。

用于药代动力学和动力学的呼吸活检

呼气VOC谱包括药物和其他异生物代谢过程中产生的VOCs。在给药后观察代谢物的类型和浓度随时间的变化是药物药代动力学和药物依从性研究的一个有用工具，能够通过呼吸无创地调查代谢物的水平变化。

EVOC探针的操作原理类似，可用于探测相同的代谢过程。EVOC探针不是监测药物的加工过程，而是与相同的生物途径相互作用的广泛可用的化合物，以实现通过呼吸采样进行监测。使用这种方法，我们可以在开始治疗之前预测病人对不同疗法的反应，从而加快为每个病人寻找最合适的治疗方案的过程。

呼吸活检可用于测量呼出的VOCs的纵向变化，无论是生物变化还是EVOC探针给药后的变化。因此，它可用于监测：

  • 疾病进展

  • 药物活动

  • 治疗依从性

  • 药代动力学

  • 治疗反应

无针对性的和有针对性的方法

像EVOC探针这样的技术支持对呼吸中的VOC分析采取更有针对性的方法。迄今为止，绝大多数研究都是无针对性的生物标志物发现研究，采取无偏见的方法收集和分析尽可能多的现有VOCs。这通常是一个需要先进技术的缓慢和高难度的解决方案，对于护理点的临床应用来说是不切实际的。

有针对性的方法更有针对性、更有依据，利用前面的研究以及疾病机制的生物学知识来确定少数最有可能与特定目标相关的候选VOCs。例如，有证据表明，监测外源性VOC柠檬烯可以提供与肝病有关的信息。

这些有针对性的方法使样品的收集和分析能够针对预定的目标进行优化，增加了准确识别相关变化的机会，并实现了广泛的医疗应用所需的那种可获得的和便携式的呼吸测试技术。

呼吸活检平台能够进行有针对性的和无针对性的VOC分析，并提供结合各种方法的机会。提供针对特定目标VOCs的优化分析，同时还能收集通过呼吸采样获得的更多种类的VOCs信息。通过整合赛默飞世尔科技公司的Orbitrap质谱分析能力，Breath Biopsy为精确检测呼吸中的VOCs提供了极高的灵敏度。