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挥发性有机化合物（VOCs）是在室温下具有高蒸气压的气相化学品。VOCs是呼出气体成分的一部分，代表了代谢物的挥发性部分。这些是人体新陈代谢产生的低分子量（<1 kDa）化合物，代表了基因转录和蛋白质表达的终点（如下图所示）。

         

代谢物提供了关于实际疾病活动的信息，这与基因组学只提供 “起始蓝图 “形成鲜明对比。

         

         

疾病会导致代谢平衡的丧失，因此监测代谢物的波动为检测、诊断和监测疾病提供了一个强有力的方法。

         

数以千计的经呼吸传播的代谢物VOCs已经被确认，它们构成了一个关于个人健康的信息库。VOCs也会从其他临床样本类型中散发出来，如尿液、粪便和唾液。

         

呼吸活检为研究人员和临床医生提供了关于疾病活动的相关信息，因为VOCs的特性和浓度与细胞、组织和微生物组中当前的代谢过程相一致。这与基因组分析形成对比，后者只提供关于个人 “起始蓝图 “的信息。

呼出VOCs的来源

呼出气体中的VOCs有许多潜在来源。它们可以由个人的细胞和组织以生化方式产生（“内源性 “VOCs），也可以是外部影响的结果。呼气中的这些 “外源性 “VOCs可能是微生物组代谢的产物，也可能是从环境中引入的，如治疗干预中的药物代谢物。

         

         

在呼气中发现的内源性和外源性VOCs

         

         

呼吸中VOCs的来源示意图

         

1.内源性VOC来源

内源性呼吸道VOCs可以产生于肺和气道组织的代谢活动，也可以有系统性的来源。全身代谢物VOCs可以来自身体的任何地方，包括呼吸系统以外的其他器官和组织。它们被循环系统带到肺部，在那里血液和空气的快速交换导致它们释放到呼气中（如上图所示）。因此，呼吸活检可以提供一种快速、非侵入性的手段来详细了解整个身体的运作。

         

1）VOCs的生物化学渊源

各种各样的过程导致了VOC概况的改变。与疾病有关的VOCs的来源很复杂，因为它们可能有多种潜在的来源。它们可能来自于例如肿瘤细胞内发生的代谢过程，也可能来自于周围组织对癌症存在的 “反应 “的代谢变化。

         

氧化应激（OS）与许多系统性和器官性疾病的启动和发展有关，包括心血管、肺部、自身免疫、神经系统、炎症性疾病和癌症。众所周知，OS在VOC生物标志物的产生中也起着重要作用。

         

OS代表了活性氧（ROS）的代谢产生速度与身体解毒活性中间物和修复由此产生的损害的速度之间的不平衡（如下图所示）。

         

在细胞层面，高于正常水平的ROS会损害关键的细胞结构，如磷脂膜、蛋白质和DNA。这种损害导致功能失调，并可能导致细胞凋亡或程序性死亡。

牵涉到许多疾病的氧化应激，与ROS对细胞结构和其他相互作用的损害产生的VOC有关。

         

已知由ROS与细胞结构相互作用产生的VOCs包括乙烷和戊烷、一氧化氮和4-羟基-2-壬烯醛。

         

由于氧化应激（OS）与许多情况有关，并且已知在癌症和炎症性疾病中很重要，因此呼吸中与氧化应激（OS）有关的挥发性有机化合物特别令人感兴趣。

         

2.外源性VOC来源

除了个人细胞生化产生的VOCs外，呼吸中总是含有外源性VOCs，这些外源性VOCs是由于环境暴露、生活方式、饮食、微生物组和治疗性干预等外部因素而存在。由于这些因素在许多疾病中的重要性，外源性VOCs可以提供重要的临床信息。

         

1）环境接触

个人环境中存在的化合物可以改变呼吸中观察到的VOCs的存在和浓度。暴露的VOC生物标志物以前被称为暴露组，并被用来测量和评估环境中某些化学品的暴露情况。例如，美国军方已使用呼吸分析来监测喷气燃料中挥发性化合物的暴露情况—在这种情况下，芳香族和脂肪族碳氢化合物作为暴露的生物标志物。

         

2）生活方式、饮食和微生物组

一个人的生活方式和饮食习惯也会影响他们呼吸中的VOC。与 “生活方式 “有关的外源性VOC的一个很好的例子是乙腈，它出现在吸烟者的呼吸中，但不是内源性产生的。饮食通过碳水化合物和脂肪酸代谢产生的VOC来影响呼吸成分。

         

这些过程产生乙酰CoA，通过不同的途径产生挥发性化合物异戊二烯和丙酮。异戊二烯也是胆固醇合成的一个中间物，蛋白质代谢产生氨和一氧化氮。

         

人体微生物群的代谢过程也产生VOCs。这可能是由于细菌在肠道内对未吸收的复杂碳水化合物和蛋白质进行发酵。这产生的气体包括甲烷、氢气、硫化氢和氨气。来自微生物组的VOCs包括那些由致病微生物产生的VOCs，如艰难梭菌或结核杆菌，使它们对这些感染的诊断具有价值。

         

3）药物代谢物

呼吸分析已被确定为在治疗期间或之后监测某些药物（如丙泊酚）的一种有用的、非侵入性的途径。测量与药物有关的特定挥发物可以提供一种非侵入性的手段来深入了解药代动力学和药效学。也有人建议用呼吸分析来检测滥用药物，这对醉酒驾驶测试很有用。

         

4）EVOC®探针

在许多挥发性有机化合物研究中，外源性挥发性有机化合物被视为干扰因素或污染物，增加了确定相关疾病候选生物标志物的挑战。EVOC探针代表了该领域的一种新方法，它实际上是利用了外源性VOCs及其与身体相互作用的方式来了解更多发生的生物变化。

         

与目前在MRI或PET扫描中使用的造影剂相比较，EVOC探针涉及引入不是由身体产生的VOC化合物，但与身体的代谢过程相互作用，提供代谢活动和器官功能的高对比度读出。再加上非侵入性的呼吸VOC收集和分析方法，EVOC探针为检测微妙的代谢变化提供了高度敏感和具体的解决方案。迄今为止，这项工作已经通过使用柠檬烯作为肝脏健康的指标而得到了证明。