結(jié)核是由結(jié)核分枝桿菌感染而引起的慢性傳染病，可侵入人體各個(gè)器官，主要侵犯肺臟，稱為肺結(jié)核病。中國結(jié)核病患病例數(shù)為世界第二，由于缺乏快速、精準(zhǔn)的結(jié)核實(shí)驗(yàn)室鑒定手段，增加了結(jié)核病傳播和耐藥風(fēng)險(xiǎn)。由于代謝物的變化發(fā)生在DNA、RNA和蛋白質(zhì)改變的下游，因此代謝組分析較之基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組，可更加及時(shí)、準(zhǔn)確的反映人體健康狀況和疾病的進(jìn)展。呼吸系統(tǒng)感染患者由于肺臟組織病變后其代謝穩(wěn)態(tài)被打亂，呼出氣體中代謝物的譜圖和濃度發(fā)生紊亂，可通過代謝組學(xué)手段分析氧化損傷和炎癥反應(yīng)等呼吸道內(nèi)環(huán)境的改變。結(jié)核分枝桿菌及其感染引起的代謝反應(yīng)可產(chǎn)生獨(dú)特的代謝物特征圖譜，患者的呼出氣體代謝物可作為肺結(jié)核診斷的潛在標(biāo)志物。
當(dāng)前全球結(jié)核病的發(fā)病率和死亡人數(shù)居高不下，2020年WHO報(bào)告顯示，在全球范圍內(nèi)，2019年估計(jì)有1000萬人患有結(jié)核病，2015年設(shè)定的全球肺結(jié)核病發(fā)病率下降20%（實(shí)際下降9%）和死亡人數(shù)下降35%（實(shí)際下降14%）的五年目標(biāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到[1]。作為全世界肺結(jié)核病的高負(fù)擔(dān)國家之一，我國對(duì)于肺結(jié)核病的早期診斷的研究一直在持續(xù)推進(jìn)。新興的代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)代謝中間產(chǎn)物或代謝終點(diǎn)的小分子物質(zhì)進(jìn)行綜合分析，已被越來越多地應(yīng)用于疾病病理狀態(tài)的研究。呼出氣代謝組學(xué)（exhaled breath metabolomics）是代謝組學(xué)的一個(gè)特殊分支，主要通過分析患者呼出氣體的特征對(duì)其病生理狀態(tài)進(jìn)行診斷和監(jiān)測，快速無創(chuàng)的特點(diǎn)使其具有獨(dú)特的應(yīng)用前景。近年來，組學(xué)技術(shù)已成為臨床呼吸領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究工具。代謝物的變化發(fā)生在DNA、RNA和蛋白質(zhì)改變的下游，因此代謝組分析較之基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組，可更加及時(shí)、準(zhǔn)確的反映人體健康狀況和疾病的進(jìn)展。代謝組學(xué)可對(duì)研究對(duì)象中的所有代謝物進(jìn)行定量分析，從而探究代謝物的變化與生理病理狀態(tài)的聯(lián)系，為人類疾病發(fā)病機(jī)制的研究以及疾病標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)提供新思路[2-3]。呼出氣體根據(jù)來源可分為外源性和內(nèi)源性兩大類，前者來源于機(jī)體攝取或吸入外部環(huán)境的物質(zhì)，后者一般是人體細(xì)胞中碳水化合物代謝和脂類代謝以及氧化應(yīng)激和細(xì)胞色素p450肝酶的最終產(chǎn)物，也是腸道菌群有氧和厭氧發(fā)酵過程的最終產(chǎn)物，可儲(chǔ)存于脂肪組織、血液和肺等不同部位，最后通過呼氣過程呼出[4-5]。呼出氣代謝組學(xué)屬于代謝組學(xué)的分支，通�？捎蓳]發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOCs）和呼出氣冷凝液（exhaled breath condensate，EBC）兩種標(biāo)本類型進(jìn)行分析。VOCs是指沸點(diǎn)在50-260℃的各種有機(jī)化合物，可在常壓下通過氣袋法直接收集后分析。EBC則是通過將呼出氣體引入低溫系統(tǒng)冷凝而獲得的液體[6]，特別是含有大量揮發(fā)性和非揮發(fā)性物質(zhì)的呼吸道內(nèi)襯液（airway lining fluid，ALF）。炎癥、腫瘤、腸道菌群失調(diào)等病理機(jī)制可導(dǎo)致肺臟、腸道等局部和系統(tǒng)性VOCs和EBC中代謝物的譜圖和濃度發(fā)生變化，反映氧化損傷和炎癥反應(yīng)等呼吸道內(nèi)環(huán)境[7-8]。當(dāng)機(jī)體發(fā)生病變時(shí)，呼出氣代謝物可表現(xiàn)出顯著的變化，呼出氣代謝組具有快速、無風(fēng)險(xiǎn)和價(jià)格低廉的特點(diǎn)，是目前呼吸系統(tǒng)疾病的一種前沿診斷方法，呼出氣代謝物特征圖譜可以作為疾病早期鑒定的途徑[9-11]。Kazeminasab等人討論了呼出氣體的代謝標(biāo)志物在慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）診斷中的重要作用。Corradi等人證實(shí)，在COPD患者的EBC中，白三烯和前列腺素作為炎癥的脂質(zhì)介質(zhì)可能在COPD中發(fā)揮重要作用，白三烯B4可能參與了氣道炎癥細(xì)胞的募集和氧化應(yīng)激并影響脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等代謝途徑[12]。上述呼出氣體中的代謝物可反映肺內(nèi)生理或病理過程，有助于COPD風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、疾病預(yù)防、早期準(zhǔn)確診斷和監(jiān)測治療效果。Carraro等人進(jìn)行了關(guān)于與哮喘相關(guān)的EBC代謝組學(xué)研究，該研究納入25名哮喘兒童和11名健康對(duì)照兒童，結(jié)果表明來自小兒哮喘患者的EBC中有更高濃度的氧化應(yīng)激標(biāo)志物，特別是8-異前列腺素（8-isoprostane，8-iso PG）可能是潛在的哮喘呼出氣體標(biāo)志物[13]。也有研究表明，哮喘兒童呼出氣體代謝物顯示其脂類代謝、谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)氧化應(yīng)激中的炎性信號(hào)通路均有改變[14]。肺癌患者肺臟可發(fā)生過度的氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)，其相關(guān)的呼出氣體代謝物被認(rèn)為是肺癌早期篩查的潛在手段，如miRNAs、過氧化氫、醛類、2-丁酮、1-丁醇、白介素、前列腺素E2（Prostaglandin E2，PGE2）、8-iso PG、5-脂氧合酶（5-lipoxygenase，5-LOX）和環(huán)氧合酶2（cyclooxygenase 2，COX-2）等氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)相關(guān)DNA、RNA、蛋白質(zhì)、脂類和過氧化物等，其濃度變化均可作為肺癌的生物標(biāo)志物[15]。當(dāng)前，新冠肺炎是人類面臨的巨大的挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)COVID-19患者呼出氣體中最顯著的化合物分別是甲基戊烯-2-烯醛、2，4-辛二烯-1 -氯庚烷和壬醛[16]。呼出氣代謝組技術(shù)有助于篩查新冠感染患者以及對(duì)患者治療效果進(jìn)行監(jiān)測，特別是有可能成為新冠感染患者復(fù)陽風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測的新手段。除了呼吸系統(tǒng)疾病，呼出氣體也可反映其它疾病的進(jìn)展。Tankasala等通過葡萄糖生物傳感器對(duì)血液和EBC樣本中的葡萄糖進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示，EBC的葡萄糖水平與血液葡萄糖水平呈正相關(guān)，因此提供了一種無創(chuàng)監(jiān)測糖尿病的前景[17]。一項(xiàng)研究通過對(duì)白血病兒童的EBC樣本進(jìn)行氨基酸差異水平分析，也驗(yàn)證了氨基酸譜作為白血病生物標(biāo)志物的可能性。目前已有一些呼出氣體試驗(yàn)已應(yīng)用于臨床，如氫呼氣試驗(yàn)作為一種成本相對(duì)較低、非侵入性的技術(shù)，已被用于輔助診斷胃腸疾病，13C-尿素氨呼吸試驗(yàn)已被應(yīng)用于臨床檢測幽門螺桿菌感染等[18-19]。結(jié)核患者呼出氣代謝物可能來自結(jié)核分枝桿菌的代謝過程以及受感染宿主氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[20-21]。結(jié)核分枝桿菌被肺泡巨噬細(xì)胞內(nèi)化后，巨噬細(xì)胞產(chǎn)生大量活性氧（ROS）和活性氮中間體（RNI），產(chǎn)生的過氧化氫在下呼吸道肺泡細(xì)胞中既不能被抗氧化酶分解，也不能轉(zhuǎn)化為羥基自由基，從而可通過EBC收集。有研究觀察到的肺結(jié)核患者呼出氣代謝物含有環(huán)己烷、苯、癸烷和庚烷衍生物以及醛類等氧化應(yīng)激代謝產(chǎn)物，其中60%以上的揮發(fā)性代謝物都與脂質(zhì)氧化途徑相關(guān)，如1,3,5-三甲苯，3,7-二甲基癸烷，十三烷，4,6,8-三甲基-1-壬烯，5-乙基-2-甲基-庚烷，庚烷，苯衍生物，煙酸甲酯，3-（1-甲基乙基）-氧乙烷，4-甲基-己烯，4-甲基-十二烷，己基-環(huán)己烷、乙醛和過氧化氫等含量升高[22-24]。也有研究觀察到的肺結(jié)核患者呼出氣中可檢測到結(jié)核分枝桿菌的揮發(fā)性代謝物，如對(duì)茴香酸甲酯和煙酸甲酯是結(jié)核分枝桿菌和牛分枝桿菌的特征代謝物，苯乙酸甲酯是結(jié)核分枝桿菌、牛分枝桿菌和鳥分枝桿菌復(fù)合體中的常見代謝物等[25-28]。也有研究發(fā)現(xiàn)甲基化和非甲基化碳?xì)浠衔�，尤其�?-甲基萘和1,4-二甲基環(huán)己烷在結(jié)核體外培養(yǎng)和患者呼吸樣本中含量均較高。本課題組也在耐藥結(jié)核分枝桿菌代謝產(chǎn)物的研究中得到了相似的結(jié)果，可為通過呼出氣代謝組區(qū)分不同分枝桿菌感染和耐藥監(jiān)測提供研究基礎(chǔ)。四、呼出氣代謝組在肺結(jié)核診斷中應(yīng)用前景呼出代謝組學(xué)作為為一種非侵入性的診斷工具，可通過將呼出氣代謝物作為標(biāo)志物，應(yīng)用到疾病早期發(fā)現(xiàn)、篩選、診斷和治療監(jiān)測，其優(yōu)勢(shì)主要在于：由于呼氣取樣的非侵入性，使樣本獲取完全無創(chuàng)，安全性和簡便性使受試者易接受；呼出氣代謝物是體內(nèi)代謝活動(dòng)的產(chǎn)物，直接反映了組織、細(xì)胞和微生物病生理狀態(tài)，為臨床提供了豐富的信息。肺結(jié)核的呼吸代謝組學(xué)技術(shù)在結(jié)核診斷中具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但多應(yīng)用于肺結(jié)核診斷領(lǐng)域，針對(duì)肺結(jié)核耐藥患者呼出氣體代謝物的研究較少，今后肺結(jié)核耐藥患者方面的研究將具有廣闊的應(yīng)用前景。
注：本文來源于《臨床實(shí)驗(yàn)室》雜志2021年第6期“代謝性疾病”專題
本文轉(zhuǎn)載自臨床實(shí)驗(yàn)室
