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GC-MS在呼吸气检测中的应用

2020.2.03

日，一则“新德里空气污染严重，民众花30元吸氧15分钟”的新闻引起公众关注。看似略显荒谬，却也发人深省。据报道，印度新德里空气重度污染，多地PM2.5数值超过999，“爆表”程度相当于当地四千万人每人每天吸33.2根香烟，对呼吸道的损伤可见一斑。

近几年，雾霾话题总能常居“热搜”，一方面是环境问题严峻，另一方面，大家开始越来越重视自身健康。谈癌色变的今天，人们愈发意识到自己的健康与一呼一吸息息相关，开始大量购买防霾口罩，空气净化器、新风系统也成为家装必备。关注每口吸入空气的你又可知道：每一下呼出气也可以作为疾病初筛和诊断的依据？

实施慢性呼吸系统疾病防治行动

此前国务院印发《国务院关于实施健康中国行动的意见》明确指出：针对心脑血管疾病、癌症、慢性呼吸系统疾病、糖尿病四类慢性病需要加强防控。针对呼吸系统疾病提出实施慢性呼吸系统疾病防治行动，引导重点人群早期发现疾病，控制危险因素，预防疾病发生发展。对于呼吸系统的疾病，如何快速发现、及早治疗，也成为了相关研究需要突破的方向。

- 新型无创检测方法 -

如今科学家们带给了我们一种新型的检测方法，只需要简单的呼吸就能够进行疾病初筛并提供诊断的依据。这就是今天我们要介绍的呼吸气检测，一种无创伤的、简便快捷的诊断方式，可作为诊断呼吸系统疾病（如：哮喘）的方法。对人体肺泡气中痕量的VOCs等小分子代谢物进行的代谢组学研究，目前已在肺癌、胃癌、结肠癌、乳腺癌、糖尿病等重大疾病的早期筛查和研究中有所应用，国外也有了相关应用的报道。

英国癌症研究院(Cancer Research UK)和英国生物技术公司(Owlstone Medical)就“从癌症患者的呼吸中寻找潜在的生物标记物”开始了临床试验。呼出气中VOCs极低的浓度，对实验设备（前处理富集和质谱分析）的灵敏度提出了极大的考验。

具体方法

首先，Owlstone Medical与呼吸组学领域专家合作开发的一种完全非侵入性的呼吸检测仪ReCIVA Breath Sampler（下图），通过软件控制采样泵开关时间，结合Breath Biopsy Cartridge（呼吸气吸附管），从而对测试者的呼出气组分进行有效富集。

Owlstone Medical的呼吸气采样器

ReCIVA Breath Sampler

收集完成后，研究人员通过MarkesTD100-xr热脱附仪对呼吸气VOCs解析进样，采用Thermo Scientific™ GC-Orbitrap/MS（高分辨静电场轨道阱气质联用仪）进行分析。通过Thermo Scientific™ TraceFinder4.1对数据自动进行解卷积和谱库检索处理，并结合高分辨过滤分值（HRF Score）与保留指数（RI）进一步确证质谱定性结果。

TraceFinder4.1的高分辨数据解卷积和谱库检索界面

呼吸气检测中，重要的生物标记物往往因为浓度低、质谱响应信号弱，而被复杂的呼吸气基质干扰所淹没。Orbitrap作为质谱检测器，以其高分辨率、高灵敏度著称，同时宽线性动态范围使得待测化合物即使处于极高或极低浓度时，也不会因为质量精度和离子比率的改变而导致定性错误。

有了全流程的分析仪器，该实验基于吸烟相关的生物标记物数据库对不同吸烟状况人群（非吸烟者、吸烟者、戒烟者）的呼吸气进行了研究，发现二甲基呋喃、甲苯、乙苯等化合物在呼吸气中的含量与吸烟行为有极高的相关性。

Orbitrap高分辨静电场轨道阱气质联用与呼吸气采样器、热脱附仪联用的一整套呼吸气分析系统，在极低浓度呼吸气生物标记物分析中展示出极大的优势。虽然呼吸活检仍处于临床试验阶段，但未来可期，呼吸癌症测试一旦成为现实，研究将影响数百万人的生活，通过早期癌症筛查，有望拯救数十万人的生命并节省超过15亿美元的相关医疗费用。一呼一吸之间，有我们对健康生活的追求，也会有我们对此的科学守护。

参考文献：

BREATH BIOPSY: Combining Thermal Desorption-Gas Chromatography with High Resolution Mass Spectrometry for Improved Sensitivity and Selectivity in Untargeted Breath Analysis, Jasper Boschmans, Cristian Cojocariu, Paul Silcock, Billy Boyle, Alexander Makarov, Max Allsworth

gcms

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周锦帆