質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜對(duì)肺癌患者呼氣中特征性VOCs的篩選及研究

郭冰清，孫 運(yùn)，褚美娟，武隆豐，蔣學(xué)慧,2，汪 曣,2*，穆新林*

(1.天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072；2.天津大學(xué) 天津市生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072；3.北京大學(xué)人民醫(yī)院，北京 100083)

肺癌是對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成威脅最大的惡性腫瘤之一，在我國(guó)的發(fā)病率呈上升趨勢(shì)，目前我國(guó)城市中肺癌的發(fā)病率和死亡率居腫瘤之首，其總體 5 年生存率不足15%。目前，臨床上對(duì)肺癌的早期發(fā)現(xiàn)主要依賴(lài)于低劑量螺旋 CT、PET、熒光纖支鏡、開(kāi)胸手術(shù)檢查等，但這些檢查手段較為復(fù)雜，費(fèi)用昂貴，且給病人造成一定痛苦，較難在臨床上廣泛應(yīng)用，因此尋求檢測(cè)方便且無(wú)創(chuàng)的肺癌預(yù)測(cè)新方法及特征性分子標(biāo)志物具有重要的科學(xué)與臨床意義。

揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)是指熔點(diǎn)低于室溫而沸點(diǎn)在 50～260 ℃ 之間的有機(jī)物。自1971 年 Pauling 等[1]從人呼出氣體中檢出VOCs以來(lái)，利用呼氣分析研究人體的生理和病理機(jī)制備受關(guān)注[2]。Gordon 在 1985 年采用氣相色譜儀/質(zhì)譜分光儀分析了 12 名肺癌患者和健康人呼出氣體成分的質(zhì)譜峰值分布圖，提出將呼吸氣體檢測(cè)應(yīng)用于肺癌診斷的思想。其后 O′N(xiāo)eill等[3]采用不同呼吸氣體分析方法改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為多種成分組合分析優(yōu)于單一化學(xué)成分分析。2007 年，Phillip等[4]利用氣相色譜-質(zhì)譜分析聯(lián)用儀分析 193 名肺癌患者與 221 名健康人呼氣中的 VOCs，并采用 logic 回歸分析選取其中 16 種內(nèi)源性 VOCs(主要是烷烴類(lèi)及其衍生物和苯的衍生物)作為特征性標(biāo)志物建立診斷模型。但GC-MS需復(fù)雜的樣品預(yù)處理過(guò)程，同時(shí)富集方法、色譜柱選擇、色譜升溫條件等會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。因此近年來(lái)研究者們發(fā)展了多種直接質(zhì)譜分析技術(shù)，如選擇離子流動(dòng)管質(zhì)譜(EESI-MS)和質(zhì)子轉(zhuǎn)移質(zhì)譜技術(shù)(PTR-MS)。EESI-MS是一種常壓快速質(zhì)譜分析技術(shù)，可將中性樣品與帶電試劑離子分開(kāi)，直接完成樣品的萃取和電離，另外EESI不僅能監(jiān)測(cè)呼吸氣體中含有的極性分子，還能夠檢測(cè)其中的非極性分子[5]。南昌大學(xué)劉曉妮[6]利用EESI-MS對(duì)肺癌患者、肺部良性疾病患者和健康對(duì)照組呼氣進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)丁二烯、四氫生物蝶呤、N-苯乙酰谷氨酰胺等7種VOCs為肺癌特征性VOCs。2007年，Wehinger等[7]利用 PTR-QMS 對(duì)17 位肺癌患者和 170 位健康人的呼氣成分進(jìn)行檢測(cè)，最終發(fā)現(xiàn)甲醛和異丙醇可作為肺癌呼氣標(biāo)志物，用來(lái)區(qū)分肺癌患者和健康人。但該研究選擇的肺癌患者樣本量太少，與健康對(duì)照組樣本量嚴(yán)重不匹配。相比于PTR-MS，EESI-MS的定量能力欠缺；質(zhì)譜圖僅能直接顯示各物質(zhì)的相對(duì)豐度，雖有研究將液相乙腈標(biāo)準(zhǔn)品濃度換算成氣相中的乙腈濃度，對(duì)呼出氣體中的乙腈濃度進(jìn)行半定量分析[8]，但此方法僅適用于對(duì)特定物質(zhì)的定量分析，難以對(duì)呼氣譜圖中的所有物質(zhì)成分進(jìn)行定量，給尋找呼氣中VOCs濃度與疾病的線性關(guān)系帶來(lái)困難。因此本文利用 PTR-MS對(duì)原發(fā)性早期肺癌患者和健康志愿者呼出的氣體進(jìn)行檢測(cè)，基于檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了肺癌人群的特征呼氣標(biāo)志物,并分析這些標(biāo)志物與肺癌的相關(guān)性，建立肺癌呼氣預(yù)測(cè)模型并對(duì)呼氣標(biāo)志物的生成機(jī)制進(jìn)行探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器及原理

PTR-QMS質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀(奧地利Ionicon公司產(chǎn)品)，配有 PTR-MS Control 數(shù)據(jù)處理軟件。一次性吹嘴、2 L Tedlar 采樣袋均為大連德霖公司產(chǎn)品。

PTR-QMS 由空心陰極放電源、漂移管和質(zhì)量檢測(cè)器3部分組成。PTR-MS 采用軟電離源，空心陰極放電源產(chǎn)生的H3O+作為反應(yīng)離子進(jìn)入漂移管，若待測(cè)氣體中 VOCs 的質(zhì)子親和勢(shì)(PA)大于 H3O+(PA=691 kJ/mol)，則與 H3O+發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，反應(yīng)方程式為 VOC+H3O+→(VOC)H++H2O，產(chǎn)物離子和反應(yīng)離子在漂移管電場(chǎng)的作用下進(jìn)入四極桿檢測(cè)器，從而得到離子的質(zhì)荷比及其離子計(jì)數(shù)值。

1.2 研究對(duì)象及方法

表1 志愿者的人口基本特征統(tǒng)計(jì)Table 1 Basic characteristics of volunteer

1.2.1研究對(duì)象回顧性分析 2016 年 8 月至 2017 年 5 月北京大學(xué)人民醫(yī)院收治的 40 例肺癌患者，并收集同期健康體檢者及健康狀況良好的社會(huì)志愿者共 32 例。所有病例均經(jīng)細(xì)胞學(xué)或組織學(xué)病理診斷確診，據(jù) WHO 肺癌組織分類(lèi)法確定肺癌分型，按照 ULCC(國(guó)際抗癌聯(lián)盟)2009 年修行的肺癌分期進(jìn)行分期，要求同期肺癌患者無(wú)其他慢性疾病，無(wú)通氣或換氣功能障礙。兩組志愿者的人口基本特征見(jiàn)表1，肺癌患者病理類(lèi)型如下：小細(xì)胞肺癌7例，非小細(xì)胞肺癌33例(包括腺癌 20 例，鱗癌 13 例)。

1.2.2呼氣樣品采集以Tedlar 袋作為志愿者呼氣收集裝置，使用方法如下：(1)清洗：首次使用前需用純凈水反復(fù)清洗，然后在采樣袋閥門(mén)口打開(kāi)的情況下，將采樣袋置于加熱箱上方，向其中通入純度為99.9%的氮?dú)膺M(jìn)行反復(fù)沖洗，直至采樣袋被烘干。之后用真空泵將采樣袋內(nèi)氣體抽干。(2)采樣：采集志愿者呼氣時(shí)，將一次性吹嘴通過(guò)橡膠管與采樣袋閥門(mén)相連，打開(kāi)閥門(mén)，采集氣體樣本。(3)重復(fù)清洗：每次檢測(cè)完畢后，需將采樣袋內(nèi)殘余氣體用真空泵抽干，反復(fù) 5～7 次充入純度為99.9%的氮?dú)?，至采樣袋?nèi)全部VOCs的濃度均降至儀器基線，此時(shí)采樣袋已完全洗凈。用真空泵將采樣袋內(nèi)殘余氮?dú)馔耆楦?。清洗后的采樣袋可重?fù)使用。

于每日上午6∶30～7∶30時(shí)段采集呼氣樣本，要求全部志愿者在采氣前禁食 12 h，呼氣前一晚避免高脂飲食，禁酒，不食用大蒜、生姜等具有刺激性氣味的食物。吸煙者在檢測(cè)前需禁煙 12 h。志愿者采氣前半小時(shí)用清水漱口，但不能刷牙。所有志愿者需簽署知情同意書(shū)，填寫(xiě)調(diào)查表。采氣時(shí)，在志愿者平靜呼吸 30 min 后，打開(kāi) Tedlar 采氣袋閥門(mén)，通過(guò)一次性吹嘴向采樣袋內(nèi)吹氣，共收集 2 L 氣體樣本。用一次性注射器采集志愿者呼吸環(huán)境的空氣樣本注入采樣袋中。為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，收集的氣體樣本均在24 h內(nèi)完成檢測(cè)。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

檢測(cè)器電壓：2 600 V，漂移管壓強(qiáng)：2 mbar，質(zhì)量掃描范圍：m/z1～200，單個(gè)離子掃描駐留時(shí)間為200 ms，每個(gè)樣本進(jìn)行 5 次掃描。單個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)間約4 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理使用 SPSS version 21.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料的組間比較采用 Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料比較采用χ2檢驗(yàn)，Sig<0.05 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。將單因素分析顯示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的 VOCs 加入多因素 logistic 回歸模型，進(jìn)一步分析呼氣中 VOCs 與罹患肺癌的相關(guān)性。采用二元 logistic 回歸和 Fisher 判別建立肺癌呼氣篩查模型并對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 肺癌患者和健康對(duì)照組一般資料檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Comparison of general data between lung cancer patients and healthy controls

2 結(jié)果與討論

2.1 肺癌患者呼出氣體中特征性VOCs的篩選

2.1.1一般資料比較由表2可見(jiàn)，肺癌患者和健康對(duì)照組的年齡、性別、吸煙情況差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.1.2原始數(shù)據(jù)處理及內(nèi)源性VOCs的篩選圖1A和B分別為隨機(jī)選取的一次實(shí)驗(yàn)中人體呼出氣體譜圖和呼氣環(huán)境空氣譜圖。

記C1為呼氣中 VOCs 濃度，C2為空氣中 VOCs 濃度，對(duì)所有志愿者呼氣譜圖篩選滿(mǎn)足 0.6×C1≥C2的物質(zhì)。最終篩選出m/z33、39、41、43、45、59、61、69 這 8 種物質(zhì)作為呼氣內(nèi)源性 VOCs。

表3 肺癌患者和健康對(duì)照組的Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of Mann-Whitney test in lung cancer group and healthy group

表4 多因素logistic回歸分析結(jié)果Table 4 Results of logistic regression

2.1.3肺癌呼氣特征性VOCs篩選及相關(guān)性研究利用 Mann-Whitney 秩和檢驗(yàn)比較上述 8 種 VOCs 在三組志愿者呼氣之間的表達(dá)，認(rèn)為 Sig<0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表 3可 知，上述 8 種 VOCs 中，m/z33、39、41、45、59 在肺癌患者和健康志愿者之間的表達(dá)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，分別記為 VOC 33、VOC 39、VOC 41、VOC 45、VOC 59。利用多因素 logistic 回歸模型對(duì)上述5個(gè)變量與肺癌的相關(guān)性作進(jìn)一步分析，結(jié)果如表 4所示。VOC 33、VOC 39、VOC 45對(duì)應(yīng)的Sig<0.05，VOC 41 和 VOC 59 的 Sig 值均遠(yuǎn)大于 0.05，且由表 5知，VOC 33、VOC 39、VOC 45 的濃度與志愿者的性別、年齡、吸煙情況無(wú)關(guān)。 以上結(jié)果說(shuō)明僅VOC 33、VOC 39、VOC 45與罹患肺癌有關(guān)，可作為肺癌患者呼氣中的標(biāo)志性VOCs。

表5 VOC 33、VOC 39、VOC 45濃度與志愿者一般統(tǒng)計(jì)資料的關(guān)系Table 5 The relationship between VOC 33,VOC 39,VOC 45 and general statistical data of volunteers

圖2 乙醛在小細(xì)胞肺癌和非小細(xì)胞肺癌患者呼氣中的濃度箱狀圖Fig.2 Box-whisker plots of acetaldehyde between small cell lung cancer patients and non-small cell lung cancer patients

同時(shí)檢驗(yàn)不同病理類(lèi)型肺癌患者呼氣中VOC 33、VOC 39、VOC 45的濃度是否有差異。其中，組1為鱗癌組，組 2為腺癌組，組 3為小細(xì)胞肺癌組；Sig12為組 1 與組 2 比較的 Sig 值，Sig13為組 1 與組 3 比較的 Sig 值，Sig23為組 2 與組 3 比較的 Sig 值。 Nemenyi 秩和檢驗(yàn)結(jié)果顯示，Sig13和 Sig23均小于0.05，Sig12大于0.05，說(shuō)明VOC 45在非小細(xì)胞肺癌和小細(xì)胞肺癌患者的呼氣中具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但不可區(qū)分鱗癌和腺癌。圖2表明VOC 45在非小細(xì)胞肺癌患者呼氣中濃度較高。其它兩種 VOCs 在3種肺癌患者中均不存在顯著差異。

2.2 肺癌呼吸篩查模型的建立及評(píng)價(jià)

2.2.1二元logistic回歸預(yù)測(cè)模型將自變量 VOC 33、VOC 39、VOC 45 作為協(xié)變量建立二元 logistic 回歸方程。記P為罹患肺癌的概率，其預(yù)測(cè)方程如式(1)所示。由表6中OR值知VOC 33、VOC 39、VOC 45 每增加 1 ppb，罹患肺癌的概率將提高 0.104、0.030、0.023倍，Omnibus 檢驗(yàn)結(jié)果表明，回歸模型的Sig 值為 0.000，說(shuō)明該模型對(duì)患癌概率的預(yù)測(cè)結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

log(P)=-6.420+0.014X1+0.030X2+0.023X3

(1)

圖3為該回歸模型的 ROC 曲線，曲線下面積(AUC)為0.878，靈敏度為85.5%，特異性為 63.5%。該模型靈敏度較好，特異性尚可，總體預(yù)測(cè)能力較好。

表6 回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)Table 6 Regression model coefficient and significance test

2.2.2Fisher判別分析模型利用 VOC 33、VOC 39、VOC 45 進(jìn)行 Fisher 判別分析，得到的判別函數(shù)形式如式(2)所示。

Y=-3.203+0.009X1+0.019X2+0.005X3

(2)

若Y>1，則被判別為肺癌人群；若Y<1，則被判別為健康人群。Fisher判別模型的 ROC 曲線如圖4所示，敏感度為 82.5%，特異性為 62.5%。曲線下面積(AUC)為 0.822。相比于二元 logtistic 回歸模型，該模型的敏感度和特異性均較低，預(yù)測(cè)能力較差。

圖3 二元logistic模型的ROC曲線Fig.3 ROC curve of the regression model

圖4 Fisher 判別模型的 ROC 曲線Fig.4 ROC curve of the discriminant model

2.3 呼氣標(biāo)志物分析

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)肺癌患者和非肺癌人群呼氣中 VOCs 的檢測(cè)，認(rèn)為 VOC 33、VOC 39、VOC 45 的濃度在肺癌患者和健康對(duì)照組之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明這3種物質(zhì)最有可能是肺癌患者呼出氣體中的生物標(biāo)記物。Turner等[9]在2006年利用SIFT-MS在30名志愿者中也檢測(cè)到VOC 33，并利用標(biāo)準(zhǔn)物驗(yàn)證該物質(zhì)對(duì)應(yīng)為甲醇發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)后的產(chǎn)物。2008年，Kushch等[10]利用PTR-MS在205名志愿者呼氣中檢出VOC 39，并利用不同濃度的異戊二烯標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，VOC 39與異戊二烯的相關(guān)性為0.92，說(shuō)明VOC 39對(duì)應(yīng)異戊二烯質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)后的產(chǎn)物。2004年，Zhao等[11]利用PTR-MS對(duì)78種碳?xì)浠衔镞M(jìn)行了檢測(cè)，最終確定VOC 45對(duì)應(yīng)的是乙醛質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)后的產(chǎn)物。

目前很多研究表明，癌細(xì)胞代謝與脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)程密切相關(guān)。Pitkanen等[12]研究發(fā)現(xiàn)人體脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種烷類(lèi)VOC，Wang等[13]通過(guò)直接分析肺底氣體中VOC在腫瘤切除手術(shù)前后的差異，認(rèn)為脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量烷烴類(lèi)VOC。2003年，Phillips等[14]選擇了9個(gè)VOCs所謂潛在的肺癌標(biāo)志物，并認(rèn)為烷烴是肺部脂質(zhì)過(guò)氧化的產(chǎn)物，且與肺癌患者體內(nèi)的多態(tài)細(xì)胞色素P450混合型氧化酶有關(guān)。

甲醇是呼氣中主要存在的醇類(lèi)物質(zhì)。腫瘤患者中介導(dǎo) VOCs 代謝的肝臟細(xì)胞色素 P 450 酶系統(tǒng)的多家族基因的改變，可能導(dǎo)致烷烴成分增加，這些烷烴物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞色素混合酶系統(tǒng)代謝，最終可氧化成甲醇排出體外[15-16]。

異戊二烯屬于不飽和烴類(lèi)，是人體呼氣中常見(jiàn)有機(jī)物，主要是在膽固醇生物合成通路中產(chǎn)生。同時(shí)，F(xiàn)uchs等對(duì) 79 名肺癌患者呼氣中的異戊二烯濃度進(jìn)行檢測(cè)，認(rèn)為異戊二烯可能與肺癌患者體內(nèi)脂質(zhì)代謝的變化有關(guān)[17]。浙江大學(xué)胡燕婕曾在對(duì)肺癌細(xì)胞株代謝氣體產(chǎn)物中檢測(cè)到異戊二烯，并推測(cè)其在肺癌組織中的形成與肺泡表面活性物質(zhì)的氧化損傷有關(guān)[18]。

乙醛是體內(nèi)糖類(lèi)代謝的中間產(chǎn)物，由乙醇經(jīng)肝臟NAD依賴(lài)性醇脫氫酶氧化代謝形成。Esterbauer提出大部分脂氫過(guò)氧化物可通過(guò)脂鏈的一次或多次斷裂生成醛類(lèi)物質(zhì)[19]。Redondo等在兩種非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞株(Skmes,CALU-1)體外培養(yǎng)過(guò)程的代謝氣體中也發(fā)現(xiàn)了乙醛的成分，認(rèn)為乙醛可以作為肺癌標(biāo)志性VOC[20]。

3 結(jié) 論

本文提出了利用 PTR-QMS 進(jìn)行肺癌呼氣研究的方法，完成了32名健康志愿者和40名肺癌患者呼氣中VOCs的采集和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)呼氣中VOC 33、VOC 39、VOC 45在肺癌患者和非肺癌患者之間有顯著差異。以上述3個(gè)變量建立的預(yù)測(cè)模型總體預(yù)測(cè)效果較好，相比于Fisher 判別模型，二元 logistic 能更加明顯的體現(xiàn)呼氣濃度與罹患肺癌概率的函數(shù)關(guān)系，靈敏度及特異性更高，AUC值更大，說(shuō)明其對(duì)肺癌有更準(zhǔn)確的預(yù)判能力。但兩種模型均無(wú)法進(jìn)一步對(duì)肺癌患者的病理類(lèi)型進(jìn)行預(yù)判。

本實(shí)驗(yàn)從志愿者呼氣中檢出8種離子強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，可擴(kuò)大檢測(cè)樣本量以獲取更多、更全面的肺癌病人和健康人呼氣中的VOCs信息，尋找更多與肺癌有關(guān)的氣體標(biāo)志物，并可進(jìn)一步將PTR-MS用于肺癌分期診斷。由于PTR-MS的定性能力有限，可通過(guò)一些特殊的方法與色譜等儀器聯(lián)用來(lái)確定物質(zhì)成分[19-20]。相信在不久的將來(lái)，利用PTR-MS進(jìn)行呼氣分析將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

致謝：感謝北京大學(xué)人民醫(yī)院住院患者及相關(guān)醫(yī)護(hù)人員對(duì)本研究的幫助和配合，感謝中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院提供的質(zhì)譜儀器。

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