呼吸居然有蘋果味？其實是疾病征兆

德祥科技有限公司 2022-07-05 10:38:16 402  瀏覽

• 中醫(yī)中有望聞問切，聞診這種說法，就是通過聲音和氣味診斷疾病。聽著非常邪乎，聞一下怎么就能看病了呢？

  中醫(yī)“聞診”就是通過聲音和氣味診斷疾病。隨著西醫(yī)發(fā)展至今，才揭示了其背后真正的奧妙——呼出氣中含有多種揮發(fā)性有機物VOCs（如脂族化合物、醇、醛、酮、胺及鹵代化合物），通過對不同疾病相關(guān)的生物標志物的檢測，輔助疾病的早期診斷，早發(fā)現(xiàn)早干預(yù)早治療。
  

  
  

  案例一：“葡萄狀”氣味的2-氨基苯乙酮

  如感染銅綠假單胞菌的患者呼出氣會釋放一種“葡萄狀”氣味分子2-氨基苯乙酮[1]。

  
  

  案例二：“爛蘋果味”的丙酮

  糖尿病酮癥酸中毒的病人呼出氣體中常常伴有“爛蘋果味”，這其實是呼出氣中含有丙酮含量遠遠高出正常人。丙酮是糖尿病患者呼出氣的生物標志物，也是一種VOCs。

  
  

  到底什么是呼出氣VOCs？

  呼出氣VOCs是指人體呼出，沸點介于50-260℃之間的揮發(fā)性有機化合物，分為外源性VOC和內(nèi)源性VOC。

  外源性VOC可以產(chǎn)生于環(huán)境大氣中，通過呼吸道或皮膚吸入或者吸煙后，同樣會產(chǎn)生VOCs。而內(nèi)源性VOC則產(chǎn)生于身體各個部位細胞的生化反應(yīng)，反應(yīng)了身體的新陳代謝，這部分的VOCs主要來源于肺泡，所以肺泡的呼出氣中的生物標志物更能反應(yīng)身體的疾病情況。

  那怎么才能采集到肺泡部分的揮發(fā)性有機物VOCs呢？可以根據(jù)不同的呼吸階段CO2分壓值的不同來區(qū)分。

  
  

  人呼出的氣可以分為不同階段

  人正常呼吸的全部氣體是呼出混合氣，大致可分為三個階段，第I階段為呼吸道內(nèi)的死腔氣，基本不含二氧化碳，第II階段為肺泡和腔的混合氣，第III階段是肺泡氣，二氧化碳值較高。所以可根據(jù)二氧化碳的分壓值，識別呼吸階段以及控制肺泡取樣。

  （圖1中表示：I+II+III 期=呼氣期（“混合呼氣期”，III 期=肺泡氣期。PetCO2=呼氣末二氧化碳分壓）

                          圖1：不同呼吸階段的二氧化碳分壓值

                 圖來源：Elsevier Science & Technology Journals（2004）

  
  

  由于對呼吸采樣標準沒有嚴格要求，目前很多研究使用的仍然是整個呼氣的采樣（混合呼氣）。由于混合呼吸會有污染物的影響，而肺泡氣中的VOCs濃度比混合呼出氣的高出兩倍，污染物的濃度也比混合呼氣樣低。因此，對呼出氣的不同階段進行取樣，不僅可以提高呼氣分析的可靠性，還可以幫助確定呼氣生物標志物的來源。

  呼吸氣采樣的便捷性和非侵入性（Non-Invasive），可以頻繁重復(fù)檢測，對患者和采集樣本的工作人員沒有任何風(fēng)險，呼吸VOCs分析有望成為一種新型的無創(chuàng)診斷工具。

  
  

  呼吸采樣分析挑戰(zhàn)在于如何收集肺泡氣

  Sampling case-B氣體采樣器可在護理點進行直接肺泡取樣，無需任何額外的采樣、儲存或預(yù)濃縮步驟。

  
  

  采樣前，設(shè)置CO2閾值，以便區(qū)分呼吸周期的吸氣期和肺泡期。一旦超過閾值，閥門將會打開，呼出的肺泡氣體將被自動收集到一種帶填料的捕集針被吸附——Needle trap 動態(tài)捕集針。采樣原理圖如圖2，這樣可以準確地識別呼吸周期的肺泡期和吸氣期。

                  圖2：二氧化碳自動控制動態(tài)針捕集呼吸采樣裝置

  
  

  應(yīng)用案例：

  Needle trap動態(tài)捕集針技術(shù)在護理

  點呼吸采樣

  
  

  實驗步驟：

  ●   采樣方式:豬肺泡呼吸樣本通過手動和自動肺泡采樣的兩種采樣方式。

  ●   動物接受了血管外科手術(shù)以研究脊髓缺血的影響。分別從麻醉誘導(dǎo)后、手術(shù)準備后、脊髓動脈夾閉后5min取標本。異丙酚誘導(dǎo)維持麻醉。

  ●   樣品體積為20毫升，每次取樣時用每種取樣方法重復(fù)兩次。在這些實驗中只使用了定制的NT，填料為2 cm的甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚物。

  
  

                                圖3：手動采樣

  
  

                           圖4：自動肺泡采樣

  
  

  最終結(jié)果

                          圖5：手動和自動采樣的比較

  
  

  當自動取樣時，峰面積要高得多。這些結(jié)果表明，自動采樣，特別是在高呼吸頻率下，比人工采樣更有效。（如圖5所示）

  所以，Needle trap動態(tài)捕集針技術(shù)為氣態(tài)基質(zhì)中的痕量分析提供了一種全新的、強有力的樣品制備方式。

                          圖6：Needle trap動態(tài)捕集針技術(shù)

  Needle trap動態(tài)捕集針技術(shù)具有以下優(yōu)點：

  ●   靈敏度高，適用于痕量級別的氣體分析，減少采樣時間和體積；

  ●   結(jié)合采樣器可實現(xiàn)直接肺泡采樣，容易儲存和運輸；

  ●   解析速率快，直接進樣口分析，無需冷阱聚焦；

  ●   可復(fù)合多種吸附劑，適用不同化合物。

  
  

  參考文獻

  [1] 呼出氣分析在肺炎病原體診斷中的研究進展.

  [2] Microextraction techniques in breath biomarker analysis. Bioanalysis (2014) 6(9), 1275–1291

  [3] Analytical Chemistry, Vol. 81, No. 14, July 15, 2009

  [4] Anal Bioanal Chem (2013) 405:3105–3115 DOI 10.1007/s00216-013-6781-9