無創(chuàng)呼氣檢測在結(jié)直腸癌篩查中的研究進展*

李小雯 鄭松柏復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院消化內(nèi)科(200040)

結(jié)直腸癌(colorectal cancer, CRC)是全球第三大最常見的腫瘤，也是導(dǎo)致腫瘤相關(guān)死亡的第四大原因[1]。早期CRC的5年生存率可達90%，但僅40%的患者發(fā)現(xiàn)時處于早期，進展期CRC的生存率明顯降低。由于CRC通常由良性息肉等局灶性病變發(fā)展而來，涉及一系列遺傳、組織學(xué)和形態(tài)學(xué)變化，因而具有可識別的癌前病變，故篩查是在人群水平上減少惡性腫瘤負擔(dān)的有效方法，可降低CRC相關(guān)的發(fā)病率和死亡率[2-3]。

一、目前常用的CRC篩查方法

目前臨床有效的CRC篩查策略包括糞便隱血試驗(FOBT)、結(jié)腸鏡、癌胚抗原(CEA)和影像學(xué)檢查。結(jié)腸鏡是診斷CRC的金標(biāo)準(zhǔn)，但其為一種有創(chuàng)性檢查，相關(guān)風(fēng)險包括出血、穿孔等，且大規(guī)模應(yīng)用容易造成資源浪費。FOBT是最常見的篩查方法，但特異性和敏感性均較低。結(jié)腸CT檢查對小的、平坦的和(或)鋸齒狀病變的敏感性較低，且患者暴露于電離輻射，成本較高。目前基于外周血的腫瘤標(biāo)志物篩選試驗在臨床上得到普遍應(yīng)用。一項meta分析納入了156項研究對CEA、CA19-9和CA125診斷CRC的敏感性和特異性進行評估，結(jié)果顯示CEA的診斷效能優(yōu)于CA19-9和CA125，但其整體敏感性僅為53%，特異性86%[4]。因此，CEA并非是理想的診斷腫瘤的標(biāo)志物。

二、揮發(fā)性有機化合物(VOCs)在CRC篩查中的應(yīng)用

VOCs是一種以氣態(tài)碳為基礎(chǔ)的新陳代謝物質(zhì)，存在于尿液、糞便和其他體液中，因操作簡單、成本低廉而可能成為一種潛在的篩查早期惡性腫瘤的手段。VOCs的特征可反映健康狀況，甚至對CRC具有特異性。與FOBT相比，VOCs的依從性和敏感性更高，適用于大規(guī)模人群的CRC篩查。

CRC相關(guān)的VOCs可從患者的血液、尿液、糞便和呼氣中提取。Kim等[5]使用固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜(SPME-GC-MS)檢測30例CRC患者血漿樣本，結(jié)果顯示CRC患者5種VOCs與對照組相比有明顯差異。Westenbrink等[6]發(fā)現(xiàn)尿液中VOCs對CRC的敏感性為78%，特異性為79%。Bond等[7]分析了137例受試者的糞便VOCs，結(jié)果顯示聯(lián)合3種VOCs鑒別CRC的AUC為0.73。

三、呼氣中VOCs在CRC篩查中的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外關(guān)于CRC患者呼氣中VOCs的研究相對較少，且結(jié)果特異性差異較明顯。Peng等[8]采用基于有機功能化金納米顆粒(GNPs)定制的14納米傳感器陣列和SPME-GC-MS對26例CRC患者和22名健康對照者的呼吸樣本進行分析，結(jié)果顯示GNPs對CRC患者具有較高的鑒別能力，而GC-MS識別CRC患者的敏感性約30%。Altomare等[9]使用GC-MS技術(shù)確定了CRC患者呼吸中可作為潛在生物學(xué)標(biāo)志物的15個VOCs，包括醛類、烷類和其他VOCs，其敏感性為86%，特異性為83%，準(zhǔn)確性達85%。Wang等[10]利用SPME-GC-MS發(fā)現(xiàn)CRC患者7種VOCs水平顯著高于健康人。Amal等[11]應(yīng)用GC-MS識別CRC患者和對照組中4種VOCs(分別為丙酮、乙酸乙酯、乙醇和4-甲基辛烷)，并利用傳感器進行分析，結(jié)果顯示鑒別CRC的敏感性為85%，特異性為94%，準(zhǔn)確性為91%。一項前瞻性隊列研究[12]利用選擇性粒子流質(zhì)譜儀分析CRC患者呼氣中VOCs丙醛診斷CRC的效能，結(jié)果顯示敏感性為83.3%，特異性為84.7%。一項采用電子鼻技術(shù)檢測CRC的大樣本多中心研究[13]顯示，呼氣VOCs可作為檢測CRC和進展期腺瘤的非侵入性生物學(xué)標(biāo)志物，鑒別CRC的敏感性為95%，特異性為64%，進展期腺瘤的敏感性為79%，特異性為59%。

De Vietro等[14]發(fā)現(xiàn)CRC腫瘤組織和正常結(jié)腸黏膜產(chǎn)生相似的VOCs模式，但指紋不同；苯甲醛、苯乙基和吲哚在癌組織中的濃度與正常結(jié)腸黏膜相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義。Wang等[15]對SW620結(jié)直腸癌細胞和荷瘤小鼠中的VOCs進行測定，結(jié)果顯示包括丙酮在內(nèi)的8種物質(zhì)的濃度隨腫瘤生長而增加。與其他組別相比，SW620癌細胞組中9種物質(zhì)顯著升高。

上述研究結(jié)果未發(fā)現(xiàn)CRC中共同變化的VOCs，可能是由于樣本量較小且研究利用的分析平臺或?qū)嶒灣绦虿煌拢畛Ｒ姷幕瘜W(xué)類代謝物為烷烴、醛類或酮類VOCs。后期仍需行進一步的大樣本臨床試驗來驗證結(jié)果的一致性。

四、呼氣中VOCs分子與CRC相關(guān)性機制

呼氣中VOCs的檢測是基于以下假設(shè)：病理過程的發(fā)生是由于癌細胞產(chǎn)生新的VOCs或濃度差異所導(dǎo)致的[16]。在癌癥初期，癌細胞創(chuàng)造的酸性環(huán)境使基底膜破裂，VOCs進入血流。同時，酸性環(huán)境保護癌細胞不受免疫系統(tǒng)的影響而促進腫瘤生長。腫瘤生長伴隨著基因改變，導(dǎo)致特定的VOCs分泌入血，可檢測特定的癌癥。據(jù)推測，VOCs首先從癌細胞釋放至血液，經(jīng)血液循環(huán)到達肺泡，最后隨著呼吸呼出[16]。

目前關(guān)于VOCs篩查CRC的研究均處于起步階段。既往研究發(fā)現(xiàn)了超過十種VOCs與CRC具有相關(guān)性。Altomare等[17]發(fā)現(xiàn)CRC患者在切除腫瘤后，呼氣中VOCs類型發(fā)生改變，證實腫瘤代謝與呼氣中VOCs密切相關(guān)，但具體代謝機制目前尚未完全清楚，需行進一步研究來證實。

越來越多的研究顯示多種腫瘤均可產(chǎn)生VOCs，因此對診斷CRC的特異性存在一定爭議。Bel’skaya等[18]對唾液VOCs診斷胃癌和CRC的潛能進行分析，結(jié)果顯示唾液VOCs診斷癌癥的敏感性和特異性分別為95.7%和90.9%。聯(lián)合檢測甲醇診斷胃癌和CRC的敏感性分別為80.0%和92.3%，特異性均為100%。因此，對于腫瘤部位特異性的診斷可結(jié)合其他特異性VOCs，并可進一步研究利用同位素示蹤以尋找CRC代謝相關(guān)的特異性VOCs分子。

五、VOCs分析平臺和相關(guān)技術(shù)

1. GC-MS：GC-MS是離線檢測人體呼氣的經(jīng)典方法，可結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)品的色譜分離時間和特征離子碎片對未知化合物進行準(zhǔn)確的定性。多項研究[8-11]采用GC-MS檢測呼氣中VOCs，具有敏感性高、穩(wěn)定性良好、能準(zhǔn)確定性定量的優(yōu)點。通過提供樣本組成的定性和定量信息，該分析技術(shù)可識別CRC患者的代謝特征。

但GC-MS的成本高、可管理性差，尤其是處理原始樣品的耗時較長，限制了其在常規(guī)大規(guī)模篩選中的應(yīng)用。SPME是基于采用涂有固定相的熔融石英纖維來吸附、富集樣品中的待測物質(zhì)，集萃取、濃縮、解析、進樣于一體，操作簡便，功能多樣，萃取快捷且可在線和活體取樣，與GC-MS聯(lián)用大大縮短了樣品分析時間。三項研究[5,8,11]采用了SPME技術(shù)。

2. 選擇離子流動管質(zhì)譜儀(SIFT-MS)：SIFT-MS是一種定量質(zhì)譜技術(shù)，可實時測量潮濕空氣樣品中痕量氣體分子的濃度。SIFT-MS使用超軟、控制的化學(xué)電離反應(yīng)配上優(yōu)良的質(zhì)譜技術(shù)，可快速定量分析濃度低至ppb級別的VOCs，相較于傳統(tǒng)GC-MS可快速獲取結(jié)果，敏感性更高。Markar等[12]的研究采用該技術(shù)。

3. 基于人工智能傳感器的電子鼻技術(shù)：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，基于陣列傳感器和人工智能處理算法的電子鼻系統(tǒng)逐步用于醫(yī)療診斷中，通過對人呼氣中生物學(xué)標(biāo)志物的檢測，可對身體健康狀況進行判斷，具有客觀性強、無創(chuàng)傷、操作簡單快捷、成本低等優(yōu)點，有利于無創(chuàng)診斷技術(shù)的推廣和應(yīng)用。由多個具有交叉靈敏特性的氣體傳感器組成的傳感器陣列并結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法形成的人工嗅覺系統(tǒng)，可對復(fù)雜氣體中的成分進行定性或定量分析，但該技術(shù)需要大量氣體樣品對傳感器陣列進行標(biāo)定，且為了獲得較高的檢測精度需依賴后臺運行和特定服務(wù)器的高性能人工智能算法，人工智能算法的基礎(chǔ)仍是樣本量足夠、可靠性高的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合。多項研究[8,10,13]采用了電子鼻技術(shù)，能在VOCs化學(xué)類存在的情況下產(chǎn)生電流響應(yīng)，給出定性的非特異性響應(yīng)。與人類的嗅覺相同，電子鼻能探測到不同化學(xué)類別的混合物，如烷烴、醇類和芳香族化合物。與GC-MS相比，電子鼻技術(shù)執(zhí)行更快、更簡便，并可使用模式識別來識別特定的狀態(tài)。

六、討論與展望

CRC患者存在相關(guān)的代謝組學(xué)紊亂，VOCs分析可作為癌癥指紋檢測，具有良好的可靠性，敏感性為30%～94%，特異性60%～94%。雖然各研究得出的結(jié)果不盡相同，但多項研究仍提示某些烷烴、醛類或酮類VOCs具有較好的鑒定能力。未來需行進一步的大樣本臨床試驗和更深入的代謝機制研究尋找更特異的診斷CRC的VOCs。

目前電子鼻有望作為一種更快、更可靠的癌癥篩查工具，但并不能識別任何特定的CRC生物學(xué)標(biāo)志物。將GC-MS分析和電子鼻技術(shù)結(jié)合起來，建立一個配備傳感器的專用電子鼻，能檢測特定化合物或類VOCs。

最后關(guān)于CRC篩選的代謝組學(xué)方法的爭議是選擇用于VOCs分析的生物樣本類型。選擇何種生物基質(zhì)進行分析對提高患者對篩查方案的依從性至關(guān)重要。與尿液和呼氣收集相比，血液收集是有創(chuàng)的。此外，尿液、糞便和血液需經(jīng)過處理，在收集后的數(shù)小時內(nèi)儲存，然后解凍和加熱，以獲得可供分析的頂部空間。而呼氣無需在分析前進行預(yù)處理，易于無創(chuàng)采集，成本低。目前VOCs分析CRC研究例數(shù)較少，不同的分析平臺和使用的生物材料可能導(dǎo)致了不同的VOCs模式，這意味著不同研究的結(jié)果是不可比較的。應(yīng)鼓勵開展確定迄今未知的涉及CRC產(chǎn)生的VOCs分子及其相關(guān)機制的研究。