Cancers：浙江大学/协和深圳医院基于 LC-MS/MS 的挥发性有机化合物生物标志物分析用于肺癌的早期检测

背景

肺癌是世界上死亡率最高的癌症之一，但早期诊断有助于提高治愈率，降低死亡率。  低剂量 CT 筛查是针对高危人群的有效肺癌筛查计划，但其成本和电离辐射使其无法实现大范围普查；挥发性组学方法，特别是呼气挥发性有机化合物 (VOCs) 指纹分析，由于其方便、无创且耐受性好，在早期肺癌筛查中的应用受到强烈关注。然而，呼气成分中的痕量 VOCs 疾病标记物的精准定量筛查方法目前仍无法满足临床要求。

主要研究内容

在本研究中，研究团队首次系统完整地建立了基于 LC-MS/MS 的从呼气采集、预处理到代谢分析的标准定量分析方法，并建立了可以应用于早期肺癌筛查的标记物组合和阈值。标准的呼气采集方法，实现了对呼气成分不同食物和器官来源的区分；采用羰基衍生化方法的固相定量萃取过程，实现了气相样品到定量稳定可控的液相样品的转换；采用液相色谱串联三重四级杆质谱方法对液相衍生呼气样品进行检测，与目前的临床定量方法完全一致，且大幅提高定性结果的敏感性和可靠性。检测对象为人体呼气中 25 种具有稳定衍生化反应和 LC-MS/MS 分析方法的小分子羰基 VOCs，4 种羰基 VOCs 无法检测且未显示。除了寻找癌症患者呼出气的标记物差异外，研究团队还研究了癌症患者呼出气体中 3-羟基-2-丁酮和 2-戊酮（TG-4 和 TG-8）的可能代谢来源和代谢机制。

结果：

与现有方法相比，本工作的系统方法具有优异的痕量气相样品分子的定量性能，精确揭示了不同 VOCs 成分在人体呼气中 ppbv 级别的差异。通过对早期肺癌患者术前、术后 1 小时、术后 3 至 7 天、术后 4 至 6 周空腹及进食后呼气样品，与健康对照组进行比较， 结果显示，餐后仅 1 小时，3-羟基-2-丁酮（TG-4）、乙醇醛（TG-7）、2-戊酮（TG-8）、丙烯醛（TG -11)、壬醛 (TG-19)、癸醛 (TG-20) 和巴豆醛 (TG-22)，在肺癌患者和对照组之间存在显著差异，其中浸润性肺腺癌 (IAC) 的差异最为显著  ，其敏感性和特异性最高为 70% 和 76%。

图 1. 不同饮食后呼气中 VOC 浓度的变化。A-C。食用一些常见食物后人体呼气中羰基 VOCs 浓度的变化；D. 饮用不同糖液后呼出气中 TG-4 浓度的变化；E-F。值和误差条表示平均值±SE。

该研究调查了呼出气中羰基挥发性有机化合物 (VOC) 的来源。结果假设这些 VOCs 可能来自消化道/口腔，收集了受试者饮用 5% 葡萄糖溶液后口腔和鼻腔的呼气样本。结果表明，TG-4 和 TG-10 这两种羰基 VOCs 在口腔呼出气中的浓度明显高于鼻腔。这表明口腔代谢中的羰基 VOCs 是呼出气中的主要成分。此外，饮用糖或口服糖后口腔呼气中 TG-4 浓度显著升高表明 TG-4 主要来自口腔。而 TG-8 可来源于人体内的脂质代谢。

图 2. 口腔和鼻腔呼气的区别。8 名健康志愿者喝完 5% 的葡萄糖溶液后，立即分别在口鼻中分别向两个平行采样袋中吹气。值和误差条表示平均值±SE。* 鼻腔与口腔相比，p < 0.05，# 与糖后空腹相比。

结论：

呼气检测作为一种新颖、无创的方法完全有望提高早期癌症的检出率，基于采集、定量衍生和 LC-MS/MS 检测的呼吸分析与目前的临床分析仪器和方法完全兼容。在本文中，除了寻找癌症患者呼气的差异外，研究团队还研究了多种标记物在癌症患者呼气中的可能代谢来源和代谢机制，口腔细菌的糖代谢和人体的脂质代谢均能带来早期肿瘤患者等不同组间的样品区别。其中 TG-4 的敏感性和特异性在受试者工作特性（ROC）曲线分析中差异最大，达到了 70% 和 76%。该结果说明呼气分析作为一种无创、快速的诊断方法，可以应用于早期肺癌的诊断和筛查。

Article Links:

https://www.mdpi.com/2072-6694/15/4/1186

【汪小知研究员简介】

汪小知，浙江大学信电学院博士生导师 ，浙江省高层次人才，中国仪器仪表协会分析仪器分会理事，MDPI ， 客座编辑，Nature Comms 等多个期刊审稿人。在 Nature Communication, Advance Science, NanoToday, Advance Energy Materials 等期刊发表高水平论文 80 余篇，其中 IF>10 的文章 15 篇，引用次数超过 1000 次，授权发明专利 30 余项，参与 3 项国家重点研发计划并担任课题负责人，承担国家自然科学基金重大科研仪器项目，国家自然科学基金国际合作项目等重大项目，成果多次被国内外媒体（ScienceDaily，新华社，中国科技报等）报道。

【张厚德研究员简介】

张厚德，中山医科大学博士，现任协和深圳医院（广东医科大学附属深圳南山医院）消化内科教授、主任医生， 广东省呼气试验工程中心学术委员会主任。长期从事胰腺癌、呼气试验和微生态学研究。胰腺癌单克隆抗体研制于 1997 年获国家教委科技进步二等奖；研发国家级新药 14C-UBT 药盒于 2000 年获准上市，现已为国内外普遍采用；研发国家级创新医疗器械「红细胞寿命测量仪」于 2017 年获准上市，已进入近百家大型医院；呼气试验查癌研究最近获实质性突破。

转自：“丁香学术”微信公众号

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