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当新鲜空气成为奢侈品?——浅谈GC-MS在呼吸气检测中的应用

已有 603 次阅读 2019-12-3 13:47 |系统分类:博客资讯

近日,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。

赛默飞高分辨静电场轨道阱气质联用仪与热脱附仪联机图

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


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