张义：新型肿瘤标志物的研究进展
文章刊载于《临床实验室》杂志2023年6月刊“恶性肿瘤实验室检测”专题-「专家论坛」版块 页码p41-p44
挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）是指室温下即以蒸汽形式存在的一类有机化合物。人体内VOCs来源于多种内源性生化过程，包括能量代谢、氧化应激等。作为细胞代谢的最终产物，VOCs浓度或是组分的异常改变可反映机体因炎症、感染、肿瘤而引起的代谢变化。因此，VOCs有望成为诊断某些疾病的新型生物标志物。近年来，VOCs作为一类肿瘤标志物在肿瘤诊断中的作用受到越来越多的关注。本文将对VOCs在肿瘤诊断中的研究进展作一简要概述。
VOCs概述
根据WHO定义，VOCs即在常压下沸点50℃至260℃，室温下饱和蒸气压大于70Pa的易挥发性有机化合物，按其结构不同可分为：烷类、烯类、酯类、醛类、酮类、芳烃类、卤烃类和其他共八类。VOCs来源广泛且复杂，人体内VOCs可根据其来源分为外源性和内源性VOCs，外源性VOCs来源于外界环境并通过肺脏排出体外，不参与人体内部代谢过程。内源性VOCs主要为多种代谢途径的产物，经由血液到达肺泡细胞、肾上皮细胞、肠上皮细胞等，并通过皮肤、尿液、粪便和呼出气排出体外，可直接反应人体的代谢变化。
1. VOCs常用检测平台：一般常用检测平台有电子鼻技术（electronic-nose technology，eNose）、气相色谱-质谱法（Gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、选择离子流动质谱法（selected Ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS）、气相色谱离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）等。
（1）电子鼻技术（electronic-nose technology，eNose）：McCulloch通过训练犬类鉴别他们主人的健康状态，首次证明了VOCs能够用于鉴别癌症患者和非癌患者。然而犬类仅可通过其敏锐的嗅觉鉴别癌症患者和非癌症患者之间的差异VOCs所导致的不同味道，但无法检测其中组分和浓度的变化。基于这一结论，电子鼻技术被应用于VOCs检测。eNose是一种基于交叉反应传感器的代谢组学技术，通过特定材料制成的传感器与不同VOCs进行反应，形成“VOCs气味印记”以实现对不同疾病的识别, 其操作简易，检测快速且成本低廉。然而，eNose仅能识别不同VOCs的组合，不能对单一的VOCs组分进行分析，并且容易受到外界环境因素的干扰。
（2）气相色谱-质谱法（Gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS）：GC-MS是目前最常用的VOCs检测平台，其被广泛应用于VOCs组分的分离与鉴定。GC-MS技术主要包含三个步骤：样品收集、样品预浓缩和样品分析。其中，样品的预浓缩是VOCs分析的关键步骤，通过使用吸附材料提高生物样本中VOCs组分的含量以实现分析前样本富集。随后，GC-MS对样品VOCs组分进行分离以及定性和定量分析。目前，GC-MS已被证明可以检测来自不同生物样品如呼出气、尿液、血清等的VOCs，进而能够鉴别出疾病组和对照组。然而，通过此方法找出的差异VOCs在同种疾病的不同研究中并非完全相同，这可能是由样本处理及分析过程缺乏标准化导致的。因此，这也提示不同研究得出的共性VOCs或许有着更好的临床意义。
（3）选择离子流动质谱法（selected Ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS）：SIFT-MS是一种定量选择质谱技术，其原理是将质谱法与选择离子流管耦合，利用带正电荷的前体离子的化学电离，与样品中的VOCs反应生成产物离子，最后通过扫描特定质荷比值范围从而完成实时数据分析，同时根据前体和产物离子信号比率实时计算挥发性化合物的浓度。相较于GC-MS，SIFT-MS允许实时测量，仪器维护成本较低，并且不需要专业人员操作。但其分离的VOCs较少，所得到的VOCs组分信息也相应减少。
（4）气相色谱离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS）：GC-IMS是气相色谱和离子迁移谱的联用技术，它结合了气相色谱对复杂组分的强大分离能力及离子迁移谱的超高灵敏度，无需进行样本预富集浓缩即可检测。GC-IMS通过待测分子气相色谱保留指数和分子离子的迁移时间对物质进行定性，根据信号峰强度进行定量，最终得出一个三维数据（保留指数、迁移时间、峰强度）。相较于传统的GC-MS检测技术，GC-IMS无需进行样本的预处理，大大缩短了样本分析时长，显著提升了检测效率。
2. 不同生物标本中VOCs的检测分析：VOCs作为机体代谢物的一部分，可以在多种生物样本中检测到，例如呼出气、血清、尿液等。呼出气VOCs最早被用于肺癌患者的诊断及筛查，因其具有良好的灵敏度与特异性以及样本简单易得的优点在肺癌筛查中显示出巨大潜力。但非侵入性呼出气的VOCs检测在临床应用中仍存在一些困难，如缺少统一标准的呼出气的采集保存方法、有效的诊断肺癌的VOCs表达图谱以及挥发性有机物的界限值不明确等。近年来，VOCs检测在其他肿瘤的诊断中的应用也得到广泛关注。多项研究结果显示，结直肠癌患者和健康对照人群的生物标本中（呼出气、尿液）可检测出具有显著差异的VOCs，其有望成为早期诊断结直肠癌的生物标志物。
