呼气可查肺癌？何建行&梁文华：肺癌筛查中的VOC检测分析

根据国家癌症中心在《JNCC》上发布的2022年中国恶性肿瘤疾病负担情况^[1]，2020年中国癌症新发病例为482.47万例，其中肺癌新发病例为106.06万，占所有恶性肿瘤的22.0%。同年，中国癌症死亡病例数预计为257.42万，肺癌死亡病例数为73.33万，位居首位，是导致癌症死亡最主要的原因。作为中国发病率和死亡率最高的恶性肿瘤，肺癌对人们的经济和健康带来了严重负担。筛查与早诊早治是降低人群肺癌死亡率的有效措施^[2]。

当前国内外的肺癌筛查指南普遍建议使用低剂量螺旋CT（LDCT）进行肺癌筛查。2011年美国国家肺癌筛查试验的一项随机对照研究结果表明，与传统的X线摄影相比，采用LDCT对肺癌高危人群进行筛查可使肺癌死亡率降低20%^[3]。LDCT不仅显著提高了肺癌的检出率，还有效降低了肺癌相关死亡率，具有较高的灵敏度。^[4]然而，在疾病的早期阶段，仅仅形态学标准来区分肺癌与良性结节仍然存在较大的挑战。LDCT也存在特异性相对较低，假阳性率高、过度诊断，心理影响及随之导致的不必要的有创操作及其并发症、潜在的放射损伤风险等问题。而肺癌的血清生物标志物，例如CEA、CYFRA21–1和ctDNA等，灵敏度和特异性还不尽如人意。

挥发性有机物

挥发性有机物（volatile organic compounds, VOCs）是一类具有高挥发性的气态有机分子，不仅存在于生活环境中，也可由生命体代谢活动产生。人体呼出气中的VOCs来源于多种体内代谢途径，并通过皮肤、粪便、尿液和呼吸释放。由于疾病会改变人体细胞代谢，因此VOCs的变化可以反映人体的病理生理状态。通过采气袋、Bio-VOC采样器等非侵入性地采集呼出气，经过热解吸仪、热脱附仪、固相微萃取装置或针刺捕集装置进行富集，使用气相色谱质谱仪、质子转移反应质谱、选择离子流管质谱或电子鼻等方法分析和识别VOC中的不同特征的代谢物质，可筛选出癌症的早期生物标志物^[5]。检测患者呼出气中的VOCs可能成为一种易得、快速、方便、无创、廉价且更具特异性的检测方法，能提高患者的接受肺癌早筛的依从性。

为全面评估呼出气体中VOCs作为肺癌筛查生物标志物的潜力和准确性，广州医科大学附属第一医院何建行教授与梁文华教授团队进行了一项肺癌筛查的meta分析研究。研究遵循PRISMA指南，分析了截至2023年10月1日的25项研究，累计队列包括2045名被诊断为肺癌的个体和2201名对照组受试者。这些研究来自10个国家，主要来自美国和中国。由于样本量较小，大多数研究采用交叉验证法进行验证。相关研究结果于今年发布在《BMCCancer》^[6]。

呼出气VOCs的meta分析显示，所有纳入研究的汇总灵敏度和特异度分别为85%（95%CI84–87%）和86%（95%CI84–87%）。SROC曲线显示AUC为0.93（图2C），表明VOCs检测技术诊断性能良好，对LC的诊断准确性很高。

纳入研究中VOCs检测方法的临床灵敏度(A)、特异性(B)和SROC曲线(C)

化学物质种类

纳入的研究中，LC患者呼气中共检测到190种VOC。鉴定出的化合物主要包括烷烃、烯烃、酮、苯、醛和醇，其中最常见的是己醛，在近一半的研究中被检测到。根据这些经常提到的化合物开发特定的VOC光谱可以显著提高对LC的诊断效果。

研究中检测到最多的肺癌挥发性有机化合物

纳入研究中检测到最多的化合物是烷烃，其次是烯烃，二者都属于碳氢化合物。人体细胞在正常生理状态下会产生一定量的活性氧（ROS），异常时可引起脂质，特别是多不饱和脂肪酸（PUFA）的过氧化，这是碳氢化合物的主要来源之一。戊烷是检测到最多的烷烃之一，曾被认为是脂质过氧化的标志物，但戊烷在肝脏中可进一步代谢为2-戊醇，因此影响肝脏的因素可能会改变戊烷的浓度。异戊二烯在烯烃中出现的频率最高。长链脂肪酸在线粒体中的β-氧化过程是人体内酮体及其衍生物形成的基础，癌症中脂肪酸的活跃代谢也是患者呼气中酮体含量升高的主要原因。丙酮是最简单的酮体，检出率很高，但其浓度易受糖尿病等代谢性疾病和生理活动的影响，因此其作为生物标志物的潜力仍需考虑。苯及其衍生物一般认为来源于外界环境，如空气污染、香烟、化学物质等。事实上，合成激素的芳香化酶在人乳腺癌组织中过度表达，这可能导致VOC光谱中苯浓度的变化，这种现象是否存在于液相色谱中还有待进一步探讨。己醛是所有检测物质中检出频率最高的物质，有11项研究提到它，表明其作为潜在LC生物标记物的重要性。醛和醇的来源非常多样，包括饮食、吸烟、饮酒。它们与多种物质的代谢密切相关。例如，碳氢化合物的代谢可以产生醇，醇在肝脏中的氧化反应可以产生醛，CYP450也可以参与醇的氧化产生醛。

建议

通过呼气中VOC含量检测LC的方法已被证实是可行的，但与其他已建立并广泛应用的检测方法相比，还存在较大的差距。纳入研究的检测方法不同，样品采集、数据统计、目标VOCs的选择也不同，这些问题极大地限制了VOC检测的广泛应用。因此，建立统一的呼气检测方案标准势在必行。按年龄、种族等建立相应的“标准正常VOC光谱”可以为未来的研究和临床应用奠定基础。此外，提高呼气检测准确性的主要方向有两个：开发新的VOC检测技术并改进已有技术，或者尝试寻找更具特异性的LC生物标志物。由于呼气样本中所含的VOC易受到患者肺癌进展、生活习惯和其他疾病等诸多因素的影响，因此有必要对患者进行详细的分层，并分析肺癌的分期、分型、吸烟习惯、其他肺部疾病和VOC光谱。VOC相互作用的复杂性决定了难以以单一的VOC作为诊断标准，因此应以VOC光谱进行综合诊断。评价化合物作为潜在的特征生物标志物需要从多个角度考虑，除了敏感性和特异性外，还应考虑化合物的稳定性、呼气浓度等相关参数。未来的研究还可以结合细胞学实验研究，探索肺癌肿瘤细胞的生物学特性及其独特的VOC光谱，结合临床数据，开发更有效的诊断模型。

结论

VOCs检测具有良好的准确性，该检测方法快速、无创、患者依从性高，具有极好的临床应用前景。部分化合物如烷烃与肺癌具有较高的相关性，表明利用特定的VOCs构建肺癌诊断模型实用性很高。但考虑到现有研究仍存在不足，可能影响呼出气VOCs的因素仍较多，因此未来有必要对大样本人群进行研究，进一步探讨其关联性，发掘更多有潜力成为肺癌生物标志物的VOCs。

参考文献：

[1]HanB,ZhengR,ZengH,etal.CancerincidenceandmortalityinChina,2022.JNatlCancerCent.2024;4(1):47-53.Published2024Feb2.doi:10.1016/j.jncc.2024.01.006

[2]赫捷,李霓,陈万青,等.中国肺癌筛查与早诊早治指南(2021,北京)[J].中国综合临床,2021,37:(03)：193-207.DOI:10.3760/cma.j.cn112152-20210119-00060

[3]中华医学会肿瘤学分会,中华医学会杂志社.中华医学会肺癌临床诊疗指南（2024版）[J].中华肿瘤杂志,2024,网络预发表.DOI:10.3760/cma.j.cn112152-20240510-00189

[4]NationalLungScreeningTrialResearchTeam,ChurchTR,BlackWC,etal.Resultsofinitiallow-dosecomputedtomographicscreeningforlungcancer[J].NEnglJMed,2013,368(21):1980-1991.DOI:10.1056/NEJMoa1209120.

[5]何雅珍,高汭,吴智君,樊晶光,丁春光.呼出气挥发性有机物的采集及分析方法研究进展[J].环境与职业医学,2024,41(6):707-712.DOI:10.11836/JEOM24036

[6]Fan,X.,Zhong,R.,Liang,H.etal.ExhaledVOCdetectioninlungcancerscreening:acomprehensivemeta-analysis.BMCCancer24,775(2024).https://doi.org/10.1186/s12885-024-12537-7