本文首发于公众号「呼气试验」，此处为归档版本。

点击左上方蓝字关注我们，聊聊呼气试验 

呼出的气体代表了大量尚未开发的化学信息资源。它含有1000多种挥发性有机化合物，反映了代谢活动以及细胞和组织的状态。因此，VOCs可以作为方便的生物标志物。

无创的、基于呼吸的VOC生物标志物的临床应用是广泛的，在精准医疗和早期检测方面有许多应用。

呼气试验应用

  • 早期检测和筛查

  • 精准医疗

  • 伴随诊断

  • 补充诊断

  • 患者分层

  • 治疗反应生物标志物

  • 毒性预测

  • 临床诊断和预后

  • 疾病监测

广泛的疾病相关性

源自身体各部的挥发性有机物在呼吸中被捕获，使呼吸活检适用于广泛的情况，其中包括对炎症性疾病（如哮喘和慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病）、脂肪肝疾病、传染性疾病、代谢性疾病（如糖尿病）、心血管疾病和癌症的早期检测和精准医疗。

         

精准医疗

挥发性代谢物与疾病活动密切相关，这使它们成为捕捉疾病的生物变异性的理想选择。因此，VOC生物标志物已经在精准医疗应用中找到了用武之地，这些应用依赖于对疾病过程所依据的生物变异性的详细了解。

例如，呼吸中的VOCs已被用于将哮喘病人分为对某一特定疗法有反应或无反应的群体。同样，VOC生物标志物提供了一种非侵入性的手段来准确地对炎症性肠病患者进行分层，以协助治疗选择。

如果能确定预测治疗反应和疗效的VOC生物标志物，就能开发出诊断性的呼吸测试，以确定反应者。

临床试验患者匹配

VOC生物标记物可用于开发辅助诊断，以筛选和分层病人，纳入临床试验中。通过选择最有可能对某一特定疗法产生反应的患者，这种方法可使临床试验规模更小、成本效益更高。

更重要的是，对病人进行分层，可以对每个试验中的病人有更多的预先了解。因此，临床试验有更好的成功机会，更有可能使那些本来会因卫生经济压力而失败的疗法获得监管部门的批准。

研究表明，VOCs可用于按炎症亚型对哮喘患者进行分类，突出了呼吸活检作为治疗分层的辅助诊断的潜在用途。

药物代谢物和疾病监测

呼吸活检在疾病和治疗监测方面有潜在的应用。 比较治疗前和治疗后的呼吸测试可以通过检测疾病标志物的变化来确认疗效。此外，随着疾病的发展，不断变化的呼气VOCs可能提供潜在疾病状态变化的最初迹象。

给予药物或疾病进展都会导致代谢物的变化，这些代谢物可以通过呼气VOCs获得。因此，呼吸活检可以评估药物的药代动力学和药物依从性。也有证据表明，代谢物的变化可能与药物引起的毒性有关，为副作用提供预先警告。

早期检测和筛查

呼气实际上是无限供应的，与液体活检技术相比，它具有分析方面的优势。呼气试验显示出巨大的应用前景，包括早期检测和筛查，其目标是在疾病的最早阶段检测存在的生物标志物。

通过在几分钟内取样来集中呼出的化学物质的能力，可以在非常低的水平上检测生物标志物，这是其他取样模式（如血液测试）所无法做到的。这有可能极大地提高一系列疾病的测试灵敏度。

呼气采样的完全无创性将使临床医生能够极大地提高依从性。而在现有常规诊断程序中是个问题，因为这些程序不那么令人愉快，更具侵入性，并给病人带来风险。

用于暴露组学的呼气试验

众所周知，我们环境中的因素和生活方式的影响对我们的长期健康有重大影响。世界卫生组织将环境暴露列为慢性病死亡的首要风险因素之一，并且是癌症等非传染性疾病（NCDs）的主要风险因素。然而，将暴露与健康联系起来的现有研究是有限的，我们对造成疾病风险的许多因素知之甚少。

         

为了确定环境暴露与疾病之间的联系，暴露科学研究人员越来越多地采取一种整体的方法，将一生中的所有暴露都包括在内。这种方法已被称为暴露组学。由于这些研究涉及到对人的一生进行监测，它们可能需要很长的时间，而且产生结果的速度很慢。如果能确定生物标志物，作为危险暴露的早期指标或疾病风险升高的临床前迹象，可以取得更大的成就。

暴露研究的生物标志物

目前有两种主要的方法被用来识别生物标志物，以应用于暴露研究。在 “自上而下 “的方法中，探索已知的联系，作为确定既定影响的目标生物标志物的一种手段。例如，这与吸烟和肺癌之间或石棉和间皮瘤之间的联系有关。

与此相反的 “自下而上 “的方法检查了广泛的暴露，并试图确定构成不良后果途径（AOPs）的一部分的生物标志物，表明后续健康问题的风险增加。自上而下的生物标志物可以预测特定暴露导致的疾病，而自下而上的生物标志物范围更广，可能与一系列的暴露和不良结果有关。

适当的暴露生物标志物也与化学、工业和环境安全有关，目前许多危害评估是基于从动物模型中得出的估计。暴露组生物标志物的更广泛的发展和应用将提高这些评估的准确性。更重要的是，用合适的生物标志物进行仔细监测，可以发现目前无法预测的多种暴露的协同效应。

呼吸：非侵入性接触检测和生物监测

血液分析提供了对身体内化学环境的直接测量。然而，血液取样是侵入性的，这对经常需要从健康受试者身上定期取样的接触研究造成了挑战。对于这样的纵向研究，血液采样可能是一种限制性的生物监测方法，最好是一种完全非侵入性的方法。此外，使用侵入性方法会降低筛查项目的依从性，并在儿科中造成特殊问题。

呼出的气体提供了一种解决方案，可以很容易地与其他方法结合，并用于广泛的科目。呼气采样可以获得身体化学环境中的挥发性成分，提供整个身体暴露组和代谢组的广泛代表性样本。 从血液和气道组织中进入呼气的VOCs有许多来源，包括直接来自外部暴露，或作为与身体如何应对暴露有关的影响的结果。这些影响可能包括肺部损伤、氧化应激、脂质过氧化、代谢和炎症。

呼吸活检提供了一种方法，可以无创地对呼吸中与暴露有关的挥发性有机物进行纵向测量，并确定与暴露有关的新生物标志物。这包括通常与危险暴露有关的VOCs，如苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX），使用呼吸活检可以检测到十亿分之一以下的浓度。

         

         

暴露于BTEX化合物的呼吸生物标志物

BTEX化合物是众所周知的危险VOC，经常在暴露研究中作为感兴趣的化合物出现。BTEX暴露的来源包括吸烟、车辆排放、固体燃料火灾和职业性暴露。由于接触这些化合物的机会很广泛，并由此产生健康影响，人们对开发相关的生物监测方法有强烈的兴趣。

Owlstone医疗公司在对136人的呼气样本进行BTEX化合物的定向分析中使用了呼吸活检技术。呼吸活检能够对呼吸中的BTEX进行量化，其浓度可达万亿分之一，并且能够根据包括苯在内的呼吸标志物来区分吸烟者和非吸烟者。

         

对73个呼吸样本（17个吸烟者和56个非吸烟者）的进一步分析发现，有26个分子特征在吸烟者和非吸烟者之间有明显不同，如下图所示。