淺談GCMS在呼吸氣檢測中的應用

近日，一則“新德里空氣污染嚴重，民眾花30元吸氧15分鐘”的新聞引起公眾關注。看似略顯荒謬，卻也發人深省。據報道，印度新德里空氣重度污染，多地PM2.5數值超過999，“爆表”程度相當于當地四千萬人每人每天吸33.2根香煙，對呼吸道的損傷可見一斑。

近幾年，霧霾話題總能常居“熱搜”，一方面是環境問題嚴峻，另一方面，大家開始越來越重視自身健康。談癌色變的今天，人們愈發意識到自己的健康與一呼一吸息息相關，開始大量購買防霾口罩，空氣凈化器、新風系統也成為家裝必備。關注每口吸入空氣的你又可知道：每一下呼出氣也可以作為疾病初篩和診斷的依據？

實施慢性呼吸系統疾病防治行動

此前國務院印發《國務院關于實施健康中國行動的意見》明確指出：針對心腦血管疾病、癌癥、慢性呼吸系統疾病、糖尿病四類慢性病需要加強防控。針對呼吸系統疾病提出實施慢性呼吸系統疾病防治行動，引導重點人群早期發現疾病，控制危險因素，預防疾病發生發展。對于呼吸系統的疾病，如何快速發現、及早治療，也成為了相關研究需要突破的方向。

- 新型無創檢測方法 -

如今科學家們帶給了我們一種新型的檢測方法，只需要簡單的呼吸就能夠進行疾病初篩并提供診斷的依據。這就是今天我們要介紹的呼吸氣檢測，一種無創傷的、簡便快捷的診斷方式，可作為診斷呼吸系統疾病（如：哮喘）的方法。對人體肺泡氣中痕量的VOCs等小分子代謝物進行的代謝組學研究，目前已在肺癌、胃癌、結腸癌、乳腺癌、糖尿病等重大疾病的早期篩查和研究中有所應用，國外也有了相關應用的報道。

英國癌癥研究院(Cancer Research UK)和英國生物技術公司(Owlstone Medical)就“從癌癥患者的呼吸中尋找潛在的生物標記物”開始了臨床試驗。呼出氣中VOCs極低的濃度，對實驗設備（前處理富集和質譜分析）的靈敏度提出了極大的考驗。

具體方法

首先，Owlstone Medical與呼吸組學領域專家合作開發的一種完全非侵入性的呼吸檢測儀ReCIVA Breath Sampler（下圖），通過軟件控制采樣泵開關時間，結合Breath Biopsy Cartridge（呼吸氣吸附管），從而對測試者的呼出氣組分進行有效富集。

Owlstone Medical的呼吸氣采樣器

ReCIVA Breath Sampler

收集完成后，研究人員通過MarkesTD100-xr熱脫附儀對呼吸氣VOCs解析進樣，采用Thermo Scientific? GC-Orbitrap/MS（高分辨靜電場軌道阱氣質聯用儀）進行分析。通過Thermo Scientific? TraceFinder4.1對數據自動進行解卷積和譜庫檢索處理，并結合高分辨過濾分值（HRF Score）與保留指數（RI）進一步確證質譜定性結果。

賽默飛高分辨靜電場軌道阱氣質聯用儀與熱脫附儀聯機圖

TraceFinder4.1的高分辨數據解卷積和譜庫檢索界面

呼吸氣檢測中，重要的生物標記物往往因為濃度低、質譜響應信號弱，而被復雜的呼吸氣基質干擾所淹沒。Orbitrap作為質譜檢測器，以其高分辨率、高靈敏度著稱，同時寬線性動態范圍使得待測化合物即使處于極高或極低濃度時，也不會因為質量精度和離子比率的改變而導致定性錯誤。

有了全流程的分析儀器，該實驗基于吸煙相關的生物標記物數據庫對不同吸煙狀況人群（非吸煙者、吸煙者、戒煙者）的呼吸氣進行了研究，發現二甲基呋喃、甲苯、乙苯等化合物在呼吸氣中的含量與吸煙行為有極高的相關性。

Orbitrap高分辨靜電場軌道阱氣質聯用與呼吸氣采樣器、熱脫附儀聯用的一整套呼吸氣分析系統，在極低濃度呼吸氣生物標記物分析中展示出極大的優勢。雖然呼吸活檢仍處于臨床試驗階段，但未來可期，呼吸癌癥測試一旦成為現實，研究將影響數百萬人的生活，通過早期癌癥篩查，有望拯救數十萬人的生命并節省超過15億美元的相關醫療費用。一呼一吸之間，有我們對健康生活的追求，也會有我們對此的科學守護。