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呼吸气体检测在肺癌早期诊断中的应用

来源: 浙江大学医学院附属邵逸夫医院呼吸科   发布日期: 2019-02-28  点击次数: 56


肺癌仍是严重威胁人们健康和生命的疾病。肺癌的早期诊断和高危人群的筛选是降低肺癌死亡率的关键。目前临床尚缺乏常规的简易的肺癌早期诊断及动态监测手段。呼吸气体诊断(breath test)通过检测人体呼吸气体改变,反映相应组织细胞代谢改变,有望成为一个新兴的肺癌早期诊断手段。...
 

呼吸气体检测在肺癌早期诊断中的应用
黄强 综述  应可净 审校
(浙江大学医学院附属邵逸夫医院呼吸科 杭州 310016)


〔摘要〕肺癌仍是严重威胁人们健康和生命的疾病。肺癌的早期诊断和高危人群的筛选是降低肺癌死亡率的关键。目前临床尚缺乏常规的简易的肺癌早期诊断及动态监测手段。呼吸气体诊断(breath test)通过检测人体呼吸气体改变,反映相应组织细胞代谢改变,有望成为一个新兴的肺癌早期诊断手段。
〔关键词〕肺癌;呼吸气体诊断

肺癌是目前世界上最常见的男性恶性肿瘤。近三十年以来,尽管人们对肺癌的诊断及治疗有了很大的提高,但肺癌仍是严重威胁人们健康和生命的疾病。肺癌患者就诊时多已属中晚期,失去手术机会,影响了患者的预后,因此肺癌的早期诊断和高危人群的筛选是降低肺癌死亡率的关键。呼吸气体诊断(breath test)通过检测人体呼吸气体改变,反映相应组织细胞代谢改变,逐渐成为一种极具发展前景的诊断方法,并有希望成为一个新兴的诊断手段。现将呼吸气体检测在肺部疾病中的研究尤其在肺癌方面的研究进展、应用前景等,作一综述。
一、 肺癌的挑战
1. 肺癌流行病学 原发性支气管癌(Primary lung cancer,PLC)起源于支气管粘膜或腺体,简称肺癌。肺癌是目前世界上最常见的男性恶性肿瘤,占全部恶性肿瘤的16%,恶性肿瘤死亡的28%。在北美地区列为肿瘤死亡原因的首位[1]。据统计,在2003年的美国,大约有172,000例肺癌患者,总体5年生存率为15%。其中47%的患者为女性,并且死于肺癌的人数要多于乳腺癌[2]。
2. 肺癌早期诊断的意义 早期诊断的最大意义就是开展早期治疗,改善生存率。普遍认为I A/B和II A/B期的肺癌是可以外科切除的,前提是该患者有足够的肺功能储备或其它适合手术切除的医疗情况;如病理学分期为IA(T1N0M0)和IB(T2N0M0)的肺癌患者,手术治疗的5年生存率分别为67%和57%[3]。但有症状的肺癌通常已____________________________

属晚期(如IIIA/B 或IV期),并且5年生存率<=10%。根据美国国立肿瘤研究所(National Cancer Institute, NCI)的最近数据,只有15%的肺癌患者在确诊时仍是局限性的病变[2],而病变呈局限性的肺癌患者接受诊断和治疗,其5年生存率为49%[2]。亦有资料表明:早期诊断和治疗的肺癌,其5年生存率由20%(III期)提高至70%(I期),进步十分显著 [4]。可见,肺癌的早期诊断和高危人群的筛选是降低肺癌死亡率的关键,因此研究人员都力求找到肺癌的早期诊断的方法。
3. 肺癌早期诊断的现状 理想的早期诊断工具应具有敏感性和特异性皆良好、设备简单、操作方便、可重复性、检测费用低等的优点。到目前为止,人们已在肝癌、宫颈癌、前列腺癌、大肠癌等恶性肿瘤建立了筛选和早期诊断的方法,如肝癌的血AFP联合超声检查,宫颈癌的宫颈刮片检查,明显降低了其死亡率。但肺癌筛选仍是传统的X线、痰脱落细胞及纤维支气管镜检查等方法,由于检测过程较为繁琐,时间较长,不能早期动态监测而受到限制。
过去肺癌的筛查(尤其在高危人群中)所使用的筛选技术,如传统的X线、痰脱落细胞检查等并没有降低被筛选人群肺癌死亡率。近年出现了一些新技术和新方法,比如胸部X线的计算机辅助图像分析(computer-assisted image analysis of chest radiographs)、基于聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)的痰检、荧光支气管镜检(fluorescence bronchoscopy)和螺旋CT(spiral CT scanning)、正电子发射体层成像(positron emission tomography, PET) [5-8],以及分子损伤检测技术等,应用于肺癌早期诊断及分期、动态监测病情方面取得一定进步,但由于其费用昂贵、方法学复杂,技术要求高,目前难以作为常规的肺癌早期诊断及动态监测手段,所以我们仍需要努力寻找简便而行之有效的肺癌高危人群筛选方法,进行高危人群的动态监测。
二、 呼吸气体诊断
1. 现状 呼吸气体诊断(breath test)通过检测人体呼吸气体改变,反映相应组织细胞代谢改变,逐渐成为一种极具发展前景的诊断方法,正得到世界各国的重视,并有希望成为一个新兴的诊断手段。一些发达国家比如美国、德国、日本等纷纷在这方面投入了大量的资金开展研发。目前应用呼吸气体诊断疾病主要采用服用同位素标记的药丸配合光谱分析器,如胃幽门螺杆菌的呼气试验检测仪,此检测在医学领域里早已获得肯定,而相关方法在肺部疾病诊断中的应用还处于探索阶段。从理论上讲,呼吸气体诊断的关键是根据病理生理改变确定与疾病有相关性的气体成分,即特征性的气体成分。
2. 挥发性有机化合物 挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)是指沸点在50~260℃之间,室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa的易挥发性化合物。其主要成分为烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃类及硫烃类等,是在室内外空气中、人及动物呼吸气体中普遍存在,组成复杂,但是含量甚微的一类有机混合物,在人体呼吸中的VOCs气体含量仅为10-9~10-12 mol/L[9,10]。
在1971年,Pauling等[9]就指出正常人的呼吸气体包含数百种挥发性的有机成分(volatile organic compounds,VOCs)。1985-1988年,O’Neill 和同事们[11,12]鉴定出28种VOCs成分作为肺癌诊断的候选标记物----主要是烷烃类(alkanes)如己烷(hexane)和甲基戊烷(methylpentane),以及苯的衍生物(benzene derivatives)。在其他实验中,甲苯胺(o-toluidine),苯胺(aniline)和脂质过氧化反应的变化也在肺癌患者的VOCs中发现[13,14]。1999年,Phillip博士及其他研究者[12,13,15,16]进一步筛选出22种VOCs作为肺癌诊断的特异性标记物,主要是烷烃类及其衍生物和苯的衍生物等。他们的发现有许多共同之处。此外,在2003年的CHEST杂志发表的一篇文章,Phillip和他的小组从上述22 种VOCs中挑选其中9种成分(见表1),作为肺癌诊断的预测性模式,以期成为临床筛选肺癌的肿瘤标志物[4]。
3. 机理 但到目前为止,对于呼吸气体与肺癌之间的关系尚不十分明确。初步认为细胞癌变过程中增加了氧自由基的活动,这些氧自由基由线粒体产生,进入胞浆后,可引起蛋白质、多不饱和脂肪酸及DNA等的过氧化损伤[17,18]。DNA的过氧化损伤,导致某些基因的突变,是一种致癌机制,而细胞膜上的多种不饱和脂肪酸,通过脂质的过氧化反应,可转化为易挥发的烷烃类,如乙烷,戊烷等。而细胞膜的损伤,也增加了肺泡细胞对VOCs通透性,这样烷烃类物质易通过呼吸气体排出。此外,这些烷烃物质也可通过细胞色素P450(CYP)混合酶系统代谢,将其氧化成烷醇,排出体外。系列研究显示在肺癌患者中存在该酶系的激活,而后者导致氧化应激的代谢产物,如烷烃类和单甲基烷烃类的加速降解,并产生呼出气体相应成分________________________________________________________
丁烷
十三(碳)烷,3-甲基
十三(碳)烷,7-甲基
辛烷,4-甲基
(正)己烷,3-甲基
庚烷
(正)己烷,2-甲基
戊烷
癸烷
___________________________________________________________
表1 诊断肺癌的9种 VOCs成分(按照价值大小降序排列)
(Phillips M, et al. Chest 2003;123: 2119)
的可测量的变化。而编码细胞色素P450酶的多家族基因的改变,也是导致烷烃成分增加的原因之一。在肺癌的研究中,也发现细胞色素P450酶基因的突变与肺癌存在一定的相关性。
Phillip博士等在肺癌的研究中发现的22种VOCs,有15种是烷烃或烷烃衍生物,特别是其中5种庚烷衍生物,鉴于存在它们当中的结构相似性,推测它们可能来自于同样的代谢途径。这些研究发现,也为呼吸气体检测应用于肺癌的临床诊断提供了理论基础及实践依据。
三、 VOCs在肺部疾病诊断中的应用 美国的Gordon早在1985年[12]采用一套特殊的呼吸气体收集装置和计算机辅助的气相色谱仪(gas chromatography, GC)及质谱分光镜(mass spectroscopy,MS),分析12例肺癌患者及对照组之间不同的质谱峰值分布图,确定28种呼吸气体VOCs,主要是烷烃和苯的衍生物可作为肺癌诊断的标记物,首次提出并证实了采用通过呼吸气体检测和诊断肺癌的思想。其后O’Neill采用不同分析方法改进该试验,认为分析成分组合模式,优于单纯某些特定化学成分的分析,可以用于区分肺癌、其它肿瘤、其它肺部疾病患者及正常人,取得较好的效果。
Preti[13]采用GC/MS检测肺癌患者的呼吸气体,发现甲苯胺(o-toluidine)的浓度明显升高,苯胺(aniline)存在于一半肺癌患者,而对照组则缺如。俄国学者Khyshiktyev[14] 则通过检测肺部恶性肿瘤和非恶性肿瘤患者的呼出气浓聚物中的脂质过氧化物,证明可将用于肺部良恶疾病的鉴别。但这些研究由于样本较少,且试验装置复杂,仅能作为一种有益的探索。
Phillip博士[15]等人根据呼吸气体成分在色谱仪上峰值分布区域(area under the curve, AUC)所占的比例不同,发现22种VOCs在肺癌和非肺癌之间存在明显的区别,即使在Ⅰ期肺癌也有较高的敏感性和特异性,分别为81.3%和100%;交叉确认试验证明,这种组合可以正确预测71.1%的肺癌患者和66.7%的无肺癌患者,由此认为检测VOCs可作为肺癌诊断的标记物。上述研究表明,肺癌患者的呼吸气体中含有的VOCs主要是烷烃类和苯的衍生物,包括乙烷、戊烷、环戊烷、庚烷、苯、苯乙烯等,与非肺癌人群比较它们存在组成比例和量上的明显区别。
这些肺癌方面的呼吸气体检测仍处于研究阶段,尚未应用于临床。因此,Phillip博士等人2003年在原有的研究基础上,尝试建立一个包括9种VOCs成分(见表1)的预测模型(A predictive model),采用便携式呼吸气体采集装置[4]进行呼吸气体检测,结果发现和健康自愿者相比,该预测模型在诊断PLC方面,可达到充分的敏感性(89.6%)和特异性(82.9%),作者认为该方法可用于肺癌高危人群(如吸烟患者)的筛检。
四、 VOCs在肺癌诊断中的地位 关于肺癌是否需要筛选已经没有争议,问题是如何进行筛选[19]。一个优秀的筛选试验应当具有很高的阴性预计值(negative predictive value,NPV)以及合理的阳性预计值(positive predictive value,PPV)。Connelly 和 Inui[20]基于筛检的方法和疾病,确定了一套筛检的标准,即:(1)疾病对人群健康产生极大的负担和影响,成为筛检被授权和存在的理由;(2)疾病具有较长的临床潜伏期和有效的治疗方法;(3)筛检应当技术可行,参数合理,且比较未行筛检时能够发现疾病更早期的病人,同时减少假阳性和假阴性的结果;(4)筛检能够改善疾病的预后,筛检的费用、可行性、可接受性和早期的治疗必须考虑在内。
显然,呼吸气体试验和其他临床检测技术,如敏感性和特异性较高的影像技术(螺旋CT、PET等)比较,存在费用、安全性和有效性等方面的各自优势,因此它们之间的关系应当是互补性而非竞争性的。高危人群的筛查可遵循以下效价比更为合理的程序[4]:首先进行费用低廉、简易安全的呼吸气体试验作为初步筛选;如果结果为阳性,则进入费用较贵的螺旋CT胸部扫描;如果结果仍为阳性,那么再进行有创的临床检查,如支气管镜和活检。
作为一项早期诊断的新方法,呼吸气体中VOCs的检测比较其他的方法,显然具备许多独特的优势。首先,对患者而言,它是一种无创的、安全的、相对价廉且可接受性较高的检查;其次,来自疾病发病机理方面的优势,如CYP促进致癌物质的产生,伴随着呼吸气体中的成分变化,使它能发现处于早期和可治疗阶段的肿瘤,从而潜在地可能降低了肺癌的死亡率。当然我们还需要更多的临床研究,以确定呼吸气体试验在肿瘤患者中干预和改善生存率方面是否具有远期的效果,从而真正评判它的价值。
总之,呼吸气体诊断的价值在于:在高危人群进行肺癌初步筛检的现有技术中,增加了一种价格相对低廉、安全无创、特异和灵敏的诊断工具。

参考文献
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