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呼吸活检：

用于早期检测和精准医疗的非侵入性VOC生物标志物

图1.呼吸活检是一种非侵入性的手段，可以获得有关个人健康的宝贵信息。呼吸生物标志物在各种疾病的早期检测和精准医疗方面有许多应用。

1、简介

本指南的范围

在本指南中，介绍了呼吸分析，特别是对挥发性有机化合物（VOCs）的收集和分析。讨论在各种疾病的临床背景下应用呼吸生物标志物的科学依据。这将包括用于癌症的早期检测、哮喘的表型和肝脏疾病进展的监测。

讨论呼吸分析中的挑战，以及如何通过引入新技术（如呼吸活检）来解决和克服这些挑战，这些技术能够实现强大而可靠的呼吸收集和分析。

现在第一次有可能使用呼吸作为采样媒介和平台来研究生物标志物，该平台具有支持大规模临床试验的能力，而这是证明广泛的临床用途所需要的。

介绍呼吸组学

呼出的气体不仅仅是空气，它包含1000多种挥发性有机化合物（VOC）以及微小的气溶胶颗粒，也被称为呼吸道飞沫，来源于肺部和呼吸道。VOCs和呼吸气溶胶都是丰富的生物信息来源。

许多呼吸生物标志物都与体内的代谢或疾病过程有关。准确收集和分析它们的能力可应用于早期检测、筛查、诊断、预后和精准医疗，包括在治疗选择和治疗监测中对病人进行分层（图1）。

与基因组学和其他组学方法相比，研究呼吸中的VOCs，即所谓的 “呼吸组学”，揭示了细胞、组织和微生物组的当前健康状态。呼吸组学超越了概率和倾向性，揭示了现在正在发生什么。

呼出气体的组成

图2.除空气外，呼出的气体还含有挥发性有机化合物（VOC）和含有各种非挥发性化合物和生物大分子的呼吸道液滴的气溶胶。所有这些都是潜在的丰富的生物信息来源，可以通过收集和分析来提供对健康和疾病的洞察。

呼吸的组成部分

呼吸生物标志物主要是作为从空气中捕获的VOCs或作为在呼出的呼吸气溶胶中发现的较大颗粒产生的（图2）。大多数现有的研究都集中在VOCs的收集和分子分析上。然而，收集呼吸液滴的气溶胶提供了补充信息，并可以使用一系列广泛可用的工具进行分析。

由于其挥发性，呼吸中的VOCs通常是小分子。它们既可以来自外部来源，也可以来自身体本身，因此它们可以反映生化和代谢活动以及环境影响。VOCs通常使用详细的化学分析工具，如质谱法来识别。无创呼吸活检是检测和测量VOCs作为疾病生物标志物的一种适应性强且容易获得的手段。

相比之下，呼出的气溶胶含有一系列具有潜在临床意义的较大颗粒，包括非挥发性代谢物、蛋白质、核苷酸，甚至整个病毒，它们也适合于非侵入性收集和分析。根据生物标志物的不同，有一系列额外的分析方案可供选择，如基于抗体的检测、PCR和DNA测序。

可靠的呼吸收集对呼吸生物标志物的有力分析至关重要

Owlstone Medical的ReCIVA呼吸采样器是第一个能够提供开箱即用的设备，是一种在任何地方可重复采集VOC呼吸样本的呼吸采样器。ReCIVA在几分钟内连续进行呼吸采样，使来自全身的VOC生物标志物能够以无创和高灵敏度的方式被获取。

非侵入性生物标志物

患者的意见和舒适度是医学测试的一个重要考虑因素。对于打算用于大量其他健康受试者的筛查方法来说，这一点尤其重要。因此，尽量减少病人的痛苦、生活方式的影响和后勤方面的挑战，都有助于测试方法的成功。

呼出的气体采样本身是无创的，这意味着呼吸活检为病人提供了一种无痛和无风险的替代方法，而不是其他活检方法。它还与初级保健背景兼容，这意味着它可以被纳入筛查计划，而不需要去医院。由于这些特点，呼吸分析可以更频繁地提供给更多的病人，并有望从比许多现有方法更高的病人遵从率中受益。

呼吸分析的历史

临床医生很早就认识到某些疾病与呼吸中的化学物质之间的联系，这些化学物质被认定为独特的气味。人们普遍鼓励临床医生在诊断疾病时使用所有的感官，正是希波克拉底（公元前460-370年）在关于呼吸香气和疾病的著作中对口臭和肝臭进行了著名的描述。然而，这些气味的生物学渊源和意义只是在最近才开始被探索。

现代医生熟悉的另一个历史性例子是糖尿病酮症酸中毒患者呼出的气息中有果味。对胰岛素的反应失败导致细胞中缺乏葡萄糖，迫使它们转而代谢脂肪。这种代谢转变产生了更多的酮体，如丙酮，导致了独特的梨子般的气味。

诺贝尔奖获得者Linus Pauling的作品

呼吸中的生物标志物和一个人的疾病状态之间的联系提供了一个强大的、非侵入性的方法来识别疾病。这种方法的前景和潜在的好处已经被调查了一段时间，20世纪对呼吸中潜在的VOC生物标志物进行定量的尝试包括诺贝尔化学奖得主Linus Pauling的尝试。他的研究结果有助于证明呼吸中VOCs的多样性，揭示了数百种微量化合物。

与呼吸中的VOCs的生物来源有关的第一个发现也是在这个时期作出的。这包括确定小链碳氢化合物是脂质过氧化的产物，为氧化压力提供了可能的生物标志物。另一个例子是异戊二烯，它是呼吸中最丰富的VOCs之一，它是在戊二烯途径中被发现的。值得注意的是，异戊二烯的浓度在运动中明显增加。