摘要
呼气测试涵盖过期气体中一氧化氮的含量(F伊诺),挥发性有机化合物(VOCs),呼气冷凝水(EBC)中的变量和其他测量。为EBC和F伊诺在美国,官方对标准化程序的建议已经有十多年的历史了,但没有针对呼出的挥发性有机化合物和颗粒物的建议。本文件的目的是为样本收集和分析方法提供技术标准和建议,并强调该领域未来的研究重点。EBC和F伊诺本文件对技术的新发展和进步进行了评价。本报告不提供疾病诊断和治疗的临床指导。
临床医生和具有呼气生物标志物专业知识的研究人员被邀请参加。工作队成员以协商一致的方式选择、讨论和评价有关呼气测试方法的已发表研究。
已经提出并总结了关于数据抽样、分析和报告标准化的建议,以及关于弥补证据差距的研究建议。
以标准化方式应用呼吸生物标志物测量将提供可比较的结果,从而促进这些生物标志物在临床实践中的潜在使用。
摘要
ERS技术标准:肺部疾病呼出生物标志物http://ow.ly/mAjr309DBOP
介绍
挥发性有机化合物(VOCs)和其他不同成分早在几十年前就在呼出的气体中被识别出来,从它们中,过期气体中一氧化氮的比例(F伊诺)为潜在的生物标志物铺平了道路。许多挥发性和非挥发性成分以痕量存在于呼吸中,使其检测成为一项具有挑战性的任务。应用高度敏感的技术来分析呼出气体,使科学家能够评估这些样本中不同分子的广泛范围。由于采样方法和分析方法的多样性,该领域在三个主要领域以基本上不相关的方式发展:呼出冷凝水(EBC),呼出挥发性有机化合物和F伊诺。第四个区域,也就是呼出的颗粒物,随后到达。关于标准化程序的官方建议可用于EBC和F伊诺但它们已经有10年的历史了,而且目前对呼出的挥发性有机化合物和颗粒没有官方的建议[1,2]。在EBC和EBC领域有了新的发展和技术进步F伊诺,在过去十年中积累了广泛的经验;因此,本文件着重于这些领域。为F伊诺,本文件的具体目的是澄清术语,更新鼻腔NO测量并介绍NO动态模型的建议。这一科学领域的领导者认为,总结与抽样方法、测量标准化和数据解释有关的现有证据非常重要;突出知识上的差距;并提出了今后需要采用的技术标准和研究方向。虽然呼出生物标志物的领域很大,但在采样和中介分析中存在共同的问题。因此,有人认为,专家们的共同努力将是处理与方法有关的问题的最佳办法,方法是利用一个广泛的平台来讨论标准化方面的共同问题和未解决的问题,同时为具体方法的小组提供一个更详细的讨论框架。因此,由欧洲呼吸学会(ERS)的工作组(TF)编写的这份文件的目的是为样本收集的标准化和不同分析方法的评估提供建议,并强调呼出生物标志物领域188bet官网地址未来的研究重点。以前的EBC和F伊诺在现有的文件中,对未涉及的领域进行了评价,并在本文件中进行了处理。该小组的目的不是为临床实践提供指导。
委员会组成
两位联合主席申请支持ERS工作组。联合主席邀请临床医生和研究人员根据他们在呼气生物标志物的一个或多个领域的研究专长参与该项目。这项任务被分成四个部分,成员们要求联合主席领导每个部分,即。EBC,挥发性有机化合物的仪器,F伊诺还有呼出的微粒。参与者被要求加入与他们的专业知识最相关的小组。根据不同的主题组成小组,使TF成员能够对不同样本的特定区域进行更深入的讨论。
对技术标准和进一步研究的建议
每组评估和总结现有的证据,然后讨论其与改善呼气介质取样和测量标准的相关性。他们还发现了任何知识缺口。就技术标准和研究重点提出了建议通过首先在每个单独的小组中进行讨论并达成共识,然后在工作组会议上提出建议,在会议期间将不同方面汇集在一起。
文档开发
为了识别相关文献,使用诸如“呼出气体冷凝物”、“呼出生物标志物”、“呼出挥发性有机化合物”、“电子鼻”、“呼出一氧化氮”、“鼻一氧化氮”和“呼出颗粒”等关键词搜索Medline数据库(通过PubMed评估)。数据库检索于2016年7月结束。对为方法学问题提供证据的出版物进行了审查,并用于形成方法学建议。只包括英文的科学出版物。
由小组领导发送给联合主席(IH)的草案被合并、编辑并在成员之间分发,以供审查、反馈和批准。根据收到的意见和批评,对稿件进行了修改,然后按照其TF操作的要求提交给ERS预批准。本文件总结了目前与呼出生物标志物研究相关的证据,以及在可能的情况下对标准化采样和分析的要求。重要的是,它不是为了提供疾病诊断和管理的临床指导。在无法提供循证建议的领域,工作组成员表达了基于共识的意见,并强调了对该领域进一步研究的必要性。下面的文件结构遵循四个工作组的结构。
呼出的气体冷凝物
本文采用了先前ERS/美国胸科协会(ATS) TF对EBC的定义[1]。简而言之,EBC是通过与冷表面或冷凝器接触来冷却呼出气体而获得的。样品作为流体或冷冻材料收集,并立即或稍后分析挥发性和非挥发性大分子。
呼出冷凝水收集的一般方面
冷凝设备
有多种工具可以冷却呼出的空气和收集EBC,从自制系统到各种商业产品[1]。
冷凝器材质的影响:收集系统有不同的涂层材料,如。聚四氟乙烯,聚丙烯,玻璃,硅胶或铝。表面或涂层材料对不同生物标志物有显著影响[1,3.–6]。因此,包括样品瓶在内的整个收集系统的材料应该是惰性的,或者必须针对每个感兴趣的EBC成分进行标准化。
冷凝功效:EBC收集设备工作在不同的冷却温度范围从零到低于- 20°C。预冷设备对较高的环境温度敏感。冷凝的功效主要取决于:1)随着时间的推移通过系统的呼吸量;2)冷凝表面积;3)呼出气体与采样系统之间的温度梯度。增加冷凝表面已被证明可以增加EBC的体积和检测到的生物标志物的数量[5]。EBC中不同组分对低温的敏感性不同,某些组分的浓度取决于冷凝温度[4,7,8]。使用具有呼吸再循环功能的封闭式冷凝器设计可提高功效,尤其适用于幼儿[9],或通过分步取样来分离来自近端和远端气道的EBC [10,11]。
对未来研究的建议:对于每个EBC组件,应确定最佳冷凝材料和方法。需要对收集系统及其有效性进行比较方法研究。
呼气冷凝水收集程序
安全:EBC采集过程是无创的,只需要潮汐呼吸。收集不会改变气道表面状况,安全且无不良反应,即使对患有严重肺部疾病的幼儿和成人也是如此[1]。
收集时间与数量:在此之前,受试者被要求在一段确定的时间内进行潮汐呼吸。这一建议需要修改,因为这种取样方式会导致呼出气量变化很大。假设冷凝器条件恒定,每次呼出的体积(即。分钟体积)已被确定为每次收集的EBC体积的最重要因素[12,13]。因此,必须报告呼出气量、从呼出气量中收集的冷凝水量和收集时间,以便评估EBC收集的有效性。
呼吸方式及肺功能:潮汐呼吸取样不影响肺功能[13],但自主呼吸模式的变量可能显著影响EBC的收集和组成[14]。低气流是有利的,因为随着呼气流速的增加,收集变得越来越低效[13]。因此,建议受试者在采集血常规前至少1小时不要运动[15]。呼吸周期缓慢;即。建议采用静潮汐呼吸,因为相对于肺泡通气而言,低潮汐气量和高死区通气会导致EBC样本主要来自传导气道,而不是周围气道。不同的来源可能显著影响EBC的组成,较大比例的死区通风有助于EBC的稀释(通过冷凝水)和更大的环境(吸入)空气的影响[16]。
口鼻呼吸:经证实,口鼻呼吸与口鼻呼吸之间的EBC组成存在显著差异,如。关于呼出的生物标记物[17,18]。当进行口呼吸时,建议使用鼻夹,因为它:1)防止通过鼻子吸入空气,从而防止来自鼻上皮的可能的生物标记物污染;2)防止下气道渗漏通过鼻子;3)防止鼻腔空气和支气管空气混合。应通过定期吞咽来限制唾液污染。通过淀粉酶测量进行监测仍然存在争议。需要用足够灵敏的淀粉酶试验进行验证。口咽道的微生物活动对EBC中氮氧化物的浓度有显著影响,可以通过漱口来预防。如。用氯己定[19]。
环境污染:重要的混杂因素可能来自室外或室内环境空气。可能的机制如下:1)环境空气可以直接影响EBC的组成;2)吸入介质可与EBC中的物质发生反应;3)吸入介质可引起气道的炎症或免疫反应,从而改变EBC的组成。这已经在角蛋白、蛋白质和H2O2[20.,21]。为了避免未定义的环境条件对EBC的污染,强烈建议在吸气阀上安装合适的过滤器。清洁程序亦可能影响生物标记物浓度[1]。因此,应仔细评估清洁材料引起的任何潜在混淆。肺功能检查和医院使用雾化器的清洁程序在相关指南中有详细描述,但它们不能作为冷凝器清洁的直接证据[22,23]。
环境条件:环境温度和相对湿度可能导致EBC结果的变化,如pH [24]。在实地研究中进行EBC收集时,应考虑到呼吸温度在冬季和夏季之间会发生显著变化,这将影响呼出气体与收集系统之间的温度梯度[16]。
对未来研究的建议:定义EBC收集的呼出量并报告收集的时间和获得的EBC量,或者定义EBC收集的时间并并行报告其他两个变量。报告:收集温度和冷凝器材料,呼吸方式的特点,唾液和环境污染的预防,清洁程序和环境条件。这些因素的影响需要在进一步的研究中进行评估。
呼气冷凝水样品的储存和处理
EBC还含有不稳定的挥发物:在收集期间和之后,挥发性物质可以释放(蒸发),并且由于正在进行的生化过程,EBC的组成可以改变。例如,在室温下仅储存1小时,CO的分压就会显著降低2并增加EBC pH [13]。H的稳定性数据2O2在冷冻的EBC样品中是冲突的,范围从2天到2个月。因此,至少测量pH和H2O2必须实时或在收集后立即进行,而不需要冷冻或储存EBC [14]。
呼出冷凝水pH值测量标准化:不同的数据线表明,在EBC中pH测量的最重要的混杂因素是CO的存在2在样本中。EBC中pH测量的标准化需要消除CO的混杂效应2。在一种方法中,去除CO后测量EBC pH2通过除气(syn。(除氧或脱气),使用惰性气体,如氩气。重要的是,除氧不能完全消除CO2来自EBC样本。在另一种方法中,而不是试图去除CO2从EBC开始,样品依次装载CO2气体。在CO期间的常规时间点2加载过程中,同时取pH值和二氧化碳张力(P有限公司2)通过血气分析仪进行测量。通过绘制几个pH/P有限公司2对于每个样品的值对,可以很容易地确定任何给定的EBC pH值P有限公司2值采用回归分析。该方法在正常肺泡中产生高度可重复性的EBC pH值P有限公司25.33千帕[25–27]。一些研究人员反对人为操纵EBC;然而,它们只涉及净化,而不是CO的标准化2加载(16,25–27]。对于除氧作用,除CO外还有多少挥发物是未知的2,以及该程序如何改变EBC的复杂性[28]。到目前为止,也没有标准化的脱气协议。研究表明,不同的脱气程序(鼓泡)对脱气效果有显著影响与持续时间的变化会显著影响EBC体积损失和EBC组分浓度[29]。相反,CO2负载已被证明提供了迄今为止所观察到的EBC pH测量中最小的变异性[26]。根据标准化方法的不同,pH值的对数标度大约有两个阶差。即。含有一氧化碳的脱气样品的pH值读数2浓度接近于零与在标准CO下的pH读数2CO浓度25.33 kPa(生理肺泡CO)水平2分压),由CO中的回归分析确定2)下载样本。
储存(温度、材质、持续时间):如果EBC样本需要保存,应在收集后立即进行保存(以避免挥发性成分蒸发或正在进行的生化过程造成的任何错误)。贮存物料应是惰性的,如EBC收集物料所建议的那样[6]。最近的建议集中在使用干冰立即冷冻和储存在- 80°C,直到分析[4]。EBC的冷冻干燥(冻干)被认为是一种很有前途的浓缩样品的方法[29]。然而,目前对EBC样品进行冷冻干燥的可靠性和结果的可重复性知之甚少[30.]。对于大多数EBC组件,仍然缺乏关于它们在存储期间保持稳定多长时间的知识。在- 80°C下保存1年的样品中,EBC细胞因子的浓度与保存时间没有关系[31]。在−80°C下进行的为期2周的稳定性研究中,未发现异前列腺素的显著损失[32]。相比之下,白三烯在几周或几个月内就会明显降解[33]。
对未来研究的建议:收集和分析之间的时间应尽可能短,并应在储存期间检查每种生物标志物的稳定性。如果使用样品添加剂,如测定试剂和蛋白酶抑制剂,应清楚地说明。不再推荐在pH测量前常规脱氧。由于测量pH值的不同方法之间的观测值差异很大,因此在纵向和多中心研究中应采用相同的方法。未来的研究需要解决EBC pH测量的最佳选择。同时,pH值测量应该进行两次,即。处理前和处理后的EBC,并将两个结果与处理技术一起报告,或在标准化CO下的pH读数2CO浓度2应提供5.33千帕的水平。储存时间和储存条件对不同成分稳定性的影响需要对每种物质进行仔细评估。进一步的研究提供标准化的处理协议是必要的。
呼气冷凝水数据的解释
其中一个关键问题是,大多数在EBC中测量的浓度都是以测量单位公布的,作为液体样品中的原始数据,如。pg·毫升−1, nmol·毫升−1或µ摩尔·L−1。事实上,1ml EBC根本不能被认为是标准化的生物标本,因为每次收集过程中呼出体积的冷凝液体百分比不是恒定的。相反,人们必须意识到,不同的收集系统和程序将产生不同的稀释冷凝物,具有不同的特征,尽管呼出气体的浓度相似。
如何使呼气冷凝水中评估的生物标志物水平标准化
用水稀释:凝结水对EBC的稀释程度主要取决于:1)收集系统的效能;2)个体呼吸特征。使用不同的稀释系数(如。尿素,电导率或总阳离子)[34]或计算所分析的中介物与给定EBC样本的电导率的关系[35]已经提出了更好的标准化,报告的生理稀释率范围非常广(在1000到48000之间)。
每次呼出气量:由于它们的溶解度或反应性,气态组分可以在液体EBC样品中进行评估。就挥发性物质而言,我们关心的是每次呼出的量与呼出量的关系[36]。当考虑呼出量、收集EBC的时间和收集的EBC的体积时,这种重新计算是可能的。当这种方法应用于EBC中的挥发物甚至非挥发物时,每分钟呼出的乳酸量和H2O2或每100公升呼出的白三烯B4与每毫升EBC的评估浓度相比,变化较小[16,37]。
颗粒相关的EBC成分:非挥发性分子在EBC(蛋白质,细胞因子,等)很可能与微液滴的呼出有关,即。气溶胶或微粒。气溶胶的形成可以用细支气管液膜破裂模型简单地解释[38]。这一假说认为,气溶胶是由吸入呼吸性细支气管重新打开时呼吸道液膜或气泡破裂的过程形成的,随后液滴气溶胶被吸入肺泡,直到下一次呼气时释放出来。越来越多的出版物支持这种模式[39,40]。通过呼气排出的颗粒主要取决于个人的肺部生理和呼吸方式[40]。因此,与微滴相关的EBC成分的数量在受试者之间存在显著差异,不是正态分布的,并且在受试者之间存在显著的可变性,其可变性超过了气道疾病引起的变化[16,40]。为了克服这个问题,已经提出了与呼出颗粒排放率相关的非挥发性EBC组分的归一化。这种方法需要在未来的EBC研究中对呼出颗粒进行在线监测[41]。
对未来研究的建议:任何分析过的凝析液浓度都是由收集过程给出的多种变异性的方法来源的基础。为了减少稀释的混淆影响,应重新计算每100 L呼出和/或每分钟呼出的EBC组分的浓度。迫切需要进一步的解释概念,将呼出的粒子也考虑在内。
样品的重现性、稀释系数和浓度
导致重复性问题的主要原因有三点:1)缺乏标准化的EBC采集方法和不同实验室间生物标志物测量的验证;2)许多生物标记物在检测的下限附近被检测到;3)缺乏有效的稀释系数和/或浓度方法[5,42,43]。关于稀释系数,还没有令人信服地证明,通过使用稀释系数对EBC数据进行归一化可以实现更好的再现性。
对未来研究的建议:通过使用适当的评估手段,给出使用EBC样品进行的测定内和测定间重复性测量的详细信息。指定检测下限。需要解决与检测方法的灵敏度有关的困难,适当的统计方法(即。应使用非参数检验,低于检出限的样品比例必须报告。
年龄和性别,食物和饮料
在不同的EBC生物标记物中发现了一些性别和年龄的差异[26,44],尽管数据相互矛盾。儿童使用与成人相同的技术充分进行EBC收集[11]。
食物和饮料可能会影响直接相关介质的水平。例如,含有氧化剂、一氧化氮相关产品或影响酸度的食品和饮料可能会影响任何与一氧化氮、pH值或氧化应激有关的标志物[45,46]。进食和收集EBC之间的时间对EBC组成有显著影响[20.]。
对未来研究的建议:在任何EBC评估中,年龄和性别都应被记录下来,并作为混杂因素加以考虑。当测量已知受某些饮料或食物影响的介质时,建议受试者在测量前至少8小时避免这些介质。需要开发适合婴幼儿和学龄前儿童的EBC收集系统。
通风病人
已有大量研究将EBC与机械通气相结合。然而,通气受试者的EBC采集受到人工加湿和通气方式等多种因素的影响[49]。
对未来研究的建议:EBC分析可用于监测通气患者的肺部炎症和损伤。应评估潜在机制的影响。
系统性疾病
调查EBC介质在全身性疾病中的研究数量最近有所增加。可能的新标志物已被提出用于涉及肺部的全身性疾病,如8-异前列腺素、前列腺素E2硝酸盐治疗囊性纤维化;白细胞介素(IL)-8治疗系统性红斑狼疮;IL-4、半胱氨酸白三烯和8-异前列腺素治疗系统性硬化症;和H2O2在尿毒症[50,51]。
对未来研究的建议:进一步研究EBC成分在全身性疾病中的作用,并与已建立的疾病评估参数进行比较。
吸烟
不同的炎症和氧化应激EBC生物标志物包括H2O2对吸烟敏感。最近在吸烟者中使用基因组学、蛋白质组学、代谢组学和表观基因组学方法研究了新的“组学”标记[52,53]。有一些关于水烟吸烟者血清中IL-4、IL-5、IL-10、IL-17、γ-干扰素和8-异前列腺素的研究[54]。
对未来研究的建议:考虑戒烟和使用电子尼古丁输送系统的研究及其对不同介质的影响。
药物
有几项研究系统地调查了药物对EBC成分的影响[55–59];然而,许多这样的研究缺乏长期的对照设计。
对未来研究的建议:考虑药物的潜在影响。计划进行纵向对照研究,以评估可能的效果和/或使用介质作为指导治疗策略的工具。
参考价值
规范EBC评价需要在健康受试者中建立参考值。一些研究最广泛的生物标志物,有独立研究小组发表的数据,以建立参考值,包括H2O2、8-异前列腺素、腺苷、pH和白三烯[1,60,61]。然而,收集和测量方法的进一步标准化是必要的。
呼出挥发性有机化合物
呼气挥发物的分子分析(呼吸组学)提供了一种非侵入性的工具来探索人体,包括肺和其他器官[85–89]。基于无偏系统生物学方法的高通量组学技术,包括转录组学、蛋白质组学、脂质组学和代谢组学,越来越多地用于表型发现,并有潜力成为“即时”诊断工具[90–96]。
挥发性有机化合物可在呼出的气体、尿液、血液、唾液和粪便中产生,也可通过皮肤排出[97]。挥发性有机化合物可能有内源性代谢来源,与以前的外源性暴露(吸烟、药物、食物、等) (98也可能源于肠道或呼吸道中的细菌。呼出的挥发性有机化合物也可以包括从环境中吸入的任何挥发性有机化合物,包括采样装置。生物化学背景只知道少数内源性VOCs,如异戊二烯和丙酮。呼出VOCs浓度受化合物特异性血气分配系数的影响[99]、心输出量和肺泡分容积[One hundred.]。此外,摄取前体(如。丙戊酸钠或13c -右美沙芬)可导致其挥发性代谢产物(如。3-heptanone或13有限公司2).这在酶特异性呼吸测试中很重要[101]。
抽样
方法的选择取决于应用程序。与呼气取样相关的问题包括环境激发挥发物的校正,取样类型(总数)与肺泡呼吸,采样时间(单次呼吸)与(固定时间或固定量呼吸)、呼气流量和屏气的影响、收集材料的类型、挥发性有机化合物的回收、样品预处理、湿度、食物/药物、运动、吸烟和合共病的影响[85,102,103]。
在多中心研究中,所有取样方法都需要标准化和外部验证。国际呼吸研究协会和一个由呼吸研究人员组成的联盟正在研究这个问题,并致力于开发一种开放源代码的呼吸采样标准化方法,目前正在等待临床试验的验证(详情可在www.breathe-free.org).由于呼出挥发物的测量正处于探索阶段,因此知识和经验的分享是非常有价值的。因此,作为一个呼吸社区,我们表达了我们对生物标记模式(或信号模式)和呼气采样方法的专利申请的异议,因为它减慢了创新周期。
抽样方法
采样装置在幼儿、成人和重病患者之间有所不同。
提倡两种互补的方法来减少环境挥发性有机化合物的影响。首先,可从呼出的挥发性有机化合物浓度(肺泡梯度)中减去环境中的挥发性有机化合物浓度[102],尽管这并不能解释与病人的相互作用[104]。第二,在取样(冲洗阶段)前,可使用吸入/呼出过滤器呼吸(相对)无挥发性有机化合物的空气[105]。然而,肺泡梯度可受到几个肺动力学因素的影响[106]。此外,旨在完全减少本底污染的装置也没有成功[102]。
呼出气体可通过混合呼气取样(包括解剖死区空气在内的总呼吸)收集[105]或肺泡取样(通过呼出的CO富集肺泡呼吸获得)2触发或通过丢弃呼气的第一部分对应于死区)[107]。选择关注来自肺泡和/或传导气道的挥发性有机化合物取决于感兴趣的疾病。然而,当通过鼻或口取样时,肺泡空气中的VOCs与肺内和肺外气道壁的相互作用是不可避免的。然而,两种方法的比较可能有助于确定呼吸隔间内VOC的来源。对牙槽腔进行选择性采样可降低口腔污染物浓度[106],但在技术上要求更高[108]。
在固定时间内进行呼吸取样可以减少单次呼吸分析中报告的呼吸间挥发性浓度的变化[106,109]。另外,也使用从预定义的固定体积进行呼吸采样。最近,一种将实时呼吸采样与肺活量测定相结合的新方法在技术和医学上得到了验证。单个挥发物和收集材料的物理化学性质影响VOC的相对回收率[110]。理想情况下,收集装置应该是惰性的和/或一次性的,因为许多材料和清洁剂即使在严格的条件下也会释放挥发性有机化合物,具有很高的携带效应风险[108]。作为单次使用的替代方案,收集装置的严格清洁制度(如。Tedlar或Mylar袋)经超纯氮反复洗涤,可提供可接受的重复性[111,112]。然而,应该注意的是,使用电子鼻(电子鼻)中的交叉反应传感器很难识别泰德勒袋中剩余的或可变的VOC贡献。
挥发性有机化合物样品的调理
VOCs既可以直接(实时)分析,也可以经过几个预处理步骤。挥发性有机化合物的浓度一般介于十亿分之一至万亿分之一(nM至pM)之间[113]。由于这个原因,可能需要通过吸附在吸附剂捕集器或涂层纤维上的呼吸样品的预浓缩,以在使用的分析仪上提供足够的信号。挥发性有机化合物吸附在吸附剂捕集器上,这是最常见的样品预处理程序,也增加了样品的稳定性[114]。然而,不同的吸附剂有选择性地吸收挥发性有机化合物。这使焦点能够定向到目标挥发物,但减少了分子信息。不同分析仪的检测限差异很大,但新的发展将高灵敏度分析技术引入标记检测,能够检测到十亿分之一范围内的挥发物,使呼出的挥发性有机化合物的分析更加接近。
某些类型传感器的响应受水汽的影响;这是电子鼻对呼出样本进行研究的关键问题[103,115]。为了减少环境/样本湿度对呼气挥发性有机化合物分析的影响,研究人员采用了不同的方法,包括使用硅胶[105]和氯化钾捕集器[107]。然而,这些方法也会影响挥发性有机化合物的含量,而且到目前为止,完全去除水蒸气还不可能。吸附材料(如。Tenax®),具有非常低的水结合能力,可以减少水蒸气的影响[116]。另一种方法是在分析中剔除已知的水蒸气信号[117],但这样做可能会丢失同一传感器上生物标志物产生的信号;因此,需要考虑到这个潜在的缺点。
呼吸模式
据报道,丙酮的呼气流量依赖性[118],乙醇[119],异戊二烯[120,121]和戊烷[120],这表明这些化合物至少部分来自气道。与此相一致的是,呼气流量的改变会显著影响用电子鼻评估的呼气模式,导致这些设备区分呼吸指纹的能力不同[117]。同样,通过电子鼻和肺活量测定法测定的呼出VOC分布也取决于呼气流量[109]。目前尚不清楚气道口径的变化是否会影响挥发性有机化合物的浓度,但电子鼻呼吸指纹已被证明与哮喘患者气道口径的急性变化无关[122]。
在单次呼吸取样时,通常使用单次呼气肺活量操作[104,107]。在此过程中,受试者被指示在深吸至肺活量后立即呼气,因为挥发性有机化合物,包括丙酮[118,119],乙烷[120],异戊二烯[120,121]、甲醇及二甲基硫化物[118],可在长时间屏气时积聚在肺泡和气道中。婴儿可能需要以最小的呼吸阻力进行潮汐呼吸取样[123,124],而重症监护病房通风病人的呼吸机回路可采样挥发性有机化合物[125,126]。
挥发性有机化合物测量
呼气分析大致可分为两大类[137]: 1)基于分析分子鉴定的流程;2)一种传感器技术,基于流模式识别。分析质谱(MS)通常与气相色谱(GC)等分离技术相结合,专注于识别与特定疾病状况和伴随的病理生理相关的生物标志物化合物。二是纯粹基于复杂混合物模式识别的交叉反应传感器技术。以电子鼻技术为代表[103,115用于与健康和疾病有关的概率预测值。
挥发性有机化合物及其浓度的鉴定
在质谱过程中,离子由气体混合物中存在的挥发性有机化合物产生。根据产物离子的质荷比(m/z),可以对化合物进行检测和鉴定。电离是通过电子或化学电离来实现的。气相色谱-质谱和二维气相色谱-质谱(GCxGC-MS)主要使用电子电离,使化合物破碎并提供库可搜索的光谱,而化学电离和大气压化学电离通常用于阐明结构。其他分析鉴定技术包括质子转移反应质谱(PTR-MS)和选择性离子流管质谱(SIFT-MS),它们是由软化学电离驱动的。GC-MS具有很高的灵敏度和选择性,被认为是VOC分析的领先技术。然而,它不能用于实时呼气测量。PTR-MS和SIFT-MS都可以实时应用,并且可以选择(和限制)选择性地电离化合物[138]。
质谱技术的使用对于深入了解肺学领域的病理生理途径是有价值的。可以找到与致病真菌和细菌存在有关的化合物[139–142],以及与炎症、阻塞性肺病和肺癌相关的挥发性有机化合物数据[86,119,143–148]。
挥发性有机化合物的模式识别
当不知道生物标记物时,需要许多非选择性传感器来获得测量的VOC混合物的指纹[149,150]。使用模式识别技术(在机器学习领域内)处理注册的指纹,以识别与某些类别(疾病)相关的指纹。这种概率分类工作流程允许基于VOC指纹的诊断,表型和监测:
1)出发点:
2)探索性分析:
研究传感器与特定(目标)参数的相关性
针对目标疾病的传感器选择。
3)监督分析:
有机和无机薄膜和聚合物被用作传感材料,它们与许多不同的工作原理相结合:电导、声学、光学和电化学[115]。它们都需要特定的温度和湿度操作条件[150,160]。传感材料、工作原理和工作条件对特定VOC光谱的选择有很大影响[160]。
分析
临床准确性
传统上,呼气生物标志物的潜在临床用途是通过检查疾病与一种或多种单独的挥发性有机化合物或特定的挥发性有机化合物复合模式之间的联系来探索的[148,149]。为了正确解释发现(类似于评估其他潜在的生物标志物),作者应遵循国际标准,准确报告不同专家小组描述的发现(如。三角架、三角架及三角架)[176–179]。
呼出性有机化合物技术研究重点
非常需要进行大规模的多中心研究,以比较不同取样方法、设备和在不同地点使用不同技术测定呼出挥发物,以解决标准化问题并评估现有技术的当前临床效用。在呼吸采样和测试的技术领域,以及呼吸组学的临床意义方面,都需要进一步的研究[109,175,188]。补编5提供了进一步研究的重要领域的详细清单。
对未来研究的建议:呼气挥发性有机化合物的采样和分析程序需要进一步标准化,以证实挥发性有机化合物在临床医学中的应用前景[103,137,189]。这种标准化需要在施加限制和留出足够的创新空间之间取得合理的平衡[103,190]。研究优先事项的进一步细节载于补编5。相对而言,我们在医学上对挥发性有机化合物的研究仍处于起步阶段,尚未进一步发现和定义挥发性有机化合物和挥发性有机化合物的模式,并在医疗实践中对诊断、表型或预测临床过程具有既定的临床附加价值[191–207]。这将需要严格的程序来逐步验证复合生物标记物[94–96,176,178]。只有这样,挥发性有机化合物才能进入日常临床管理。
在这个迅速发展的科学领域,我们正处于相关研究的探索阶段。增进对健康和疾病时呼吸中存在的挥发性有机化合物的来源、动态、影响因素以及不同区室之间和微生物组与代谢之间的复杂相互作用的了解[208–213],加上对当前使用方法的批判性评估和数据处理、分析和解释的积极发展,以意想不到的速度改变了这一领域的格局[103,214–217]。缩短创新周期为VOCs领域的医学研究带来新技术[j]217,218]。对其他物种的研究进一步促进了这一过程,这些研究有助于我们理解生理变异的因素[219–221],这也得益于在感染因子领域的积极研究[222,223]。
呼出一氧化氮
ATS/ERS对呼出NO的最新建议(F伊诺)描述标准化若干方面的测量方法[2]并在世界范围内使用。ATS/ERS 2005文件仍然有效,并且在2016年大部分仍然适用;因此,对这几部分进行简要总结。自这些建议提出以来,该领域已进一步发展,并开发和使用了新的设备。此外,还建立了肺部NO动力学的数学模型,有时称为扩展NO分析[224]。本文件的目的是进一步澄清术语,以补充现有的建议(见箱1),根据最近的出版物评估鼻腔一氧化氮测量,并介绍一氧化氮动态模型的建议,以便比较和汇集数据进行进一步分析。
专栏1术语
- F 伊诺
- 气相中呼出NO的分数浓度(ppb)。呼气流速以下标表示,单位为mL·s−1。流速50 mL·s−1写F 伊诺 50。
- F nNO
- 鼻腔吸入/呼出NO的分数浓度。吸入NO的流速,通常为5 mL·s−1,在mL·s中以下标形式给出−1(如F。 nNO 5).50 mL·s时鼻呼NO值−1为F nNO 50。
- C 另
- 肺泡区或腺泡区气相NO浓度(ppb)。
- C awNO
- 气道壁NO组织浓度(ppb)。
- D awNO
- 气道隔室NO从气道壁向气流扩散的能力(mL·s)−1).
- J awNO
- 导气管室NO总通量(nL·s)−1),考虑到…的价值C 另(J awNO=(C awNO−C 另)×D awNO).如果C 另是0,通量等于理论总最大通量,是多少J”awNO=C awNO×D awNO。
- NO的去除率(pL·s)−1或问·s−1).
- 呼气流量(mL·s)−1).
F伊诺于20世纪90年代作为哮喘气道炎症的无创标志物出现,但此后在许多其他疾病实体中进行了研究,包括COPD、硬皮病、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、鼻上皮疾病、囊性纤维化和肝肺综合征[2]。F伊诺也被广泛应用于环境暴露对呼吸系统影响的研究[225–227]。
测量F伊诺
关于确定的建议F伊诺已出版[2,228,229]及ATS/ERS指引[2涵盖大部分领域的协议仍然有效,但有些技术问题需要更新。即使在临床应用方面,诊断或调整哮喘治疗的鉴别能力(特异性和敏感性)不允许该方法成为世界卫生组织(世卫组织)哮喘诊断或监测建议的一部分,也认为这很重要[230]。F伊诺50可能在健康受试者中升高[231],在哮喘患者中可能是正常的[232,233]。因此,呼出一氧化氮的原因甚至起源似乎是复杂的。然而,最近越来越多的研究表明F伊诺作为哮喘表型和管理的生物标志物[234]。最具体地说,它现在被认为是升高的F伊诺50值本身不足以确定哮喘的诊断。相反,高F伊诺50值有助于识别辅助性t - 2细胞型炎症,这是哮喘患者常见的特征[235]。F伊诺50在哮喘患者中与病情恶化的风险和吸入皮质类固醇的阳性反应的可能性有关[236,237];因此,其测量具有临床意义。为F伊诺50吸入量与总肺活量的比值由ATS/ERS指南推荐[2]。然而,支持在不影响结果的情况下为患者提供更舒适的手术的观点[238已被提出[239]。这些方法已被临床医生和制造商采用。在这种方法中,F伊诺测量是通过口腔深吸气和缓慢呼气进行的,并反馈受试者的流速。膜片关闭是强制性的,并通过使用5-20 cmH的正压来实现2反对呼气。经批准的措施是指流量在目标值的10%以内;即。45 - 55毫升·年代−1。当使用化学发光探测器测定一氧化氮时,ATS/ERS指引建议最少测量两次一氧化氮[2]。可接受测量的技术要求是两个平台值应在彼此的10%以内;如果没有,则需要另一次测量[2]。近10年来,各种NO分析方法取得了很大的发展[240,241]和它们之间的比较[242]。当使用电化学传感器时,没有看到平台,并且有有限的数据表明,对某些电化学设备进行一次呼气操作是合适的,具有良好的可重复性[243,244]。ATS/ERS指南建议进行两次测量,这仍然是一个有效的建议,尽管由于财政或其他限制,如果只能进行一次测量,使用上述手持设备可以提供有价值的数据。
当这些设备用于研究目的或临床实践时,需要考虑上述信息以及显示手持设备不可互换的数据。这些不同的手持设备不能互换的原因可能是一些单元比其他单元具有更好的准确性,并且设备内应用的程序限制了可重复性。假设的原因是采样进入单元的时间间隔。测量之间需要至少30秒的放松潮汐呼吸。在收集离线呼出气体时,需要能够分离死空间气体,以便能够与在线NO值进行比较。因此,应丢弃最初的150 - 200ml,或在CO时开始采样2存在信号,这可以帮助识别死区体积。应记录环境NO水平,最好使用不含NO的空气吸入。
注意事项
各种与疾病无关的因素可以影响NO值。其中一个因素是肺活量测定法,因此不应在NO测量之前进行[2]。支气管收缩可引起F伊诺50支气管扩张增加[245,246]。F伊诺50可在未控制的哮喘中发生变化,并被认为是哮喘控制的生物标志物和恶化的预测因子[247]。可能影响气道直径的药物以及抗炎药物应记录在案。建议使用NO测量问卷(补充6)。在进行生理研究时,建议使用漱口水,因为口腔中的细菌会影响呼出的NO浓度。由于这种影响很小,不具有临床相关性,因此在临床实践中进行测量时不需要漱口水[248,249]。过深的吸气和过度的扩张可能会影响患者对呼气流速的控制。没有具体的年龄限制F伊诺50公布了4岁儿童的测量值和正常值。2005年ATS/ERS的建议仍然适用于不能适当控制呼气的学龄前儿童和婴儿[2]。请注意,F伊诺在健康个体中被证明在三个不同的阶段与年龄有关[250]。
测量FnNO
在鼻区,鼻窦上皮的NO输出量很高,在基础条件下,诱导型一氧化氮合酶在鼻窦上皮表达[258]。鼻腔NO水平的改变已经在许多情况下被描述,包括过敏性鼻炎、鼻窦炎、鼻息肉、囊性纤维化和原发性纤毛运动障碍(PCD);一种以鼻腔NO输出低为特征的疾病[259]。一些研究表明,FnNO准确识别患有PCD的个人,支持其作为筛查工具的作用[260]。
就像F伊诺,FnNO是否依赖于流量[239]。通常最好使用NO分析仪的固有流量,即。5毫升·s−1。但是,流速必须经过测试。数据可以以浓度表示,但也应给出NO输出。流速的选择取决于主题和方法。有两种推荐的方法:连续取样的吸气和平行取样的呼气[261–263]。在测量开始之前,患者应该擤鼻子,确保两个鼻孔都有自由气流。
连续取样抽吸
吸气通过一个鼻孔进行,使用一个紧密配合的鼻橄榄,另一个鼻孔打开。受试者深吸一口气,屏住呼吸使鼻膜闭合,同时空气在鼻中隔周围从一个鼻孔循环到另一个鼻孔。膜片闭合也可通过抗10cmh阻力的口服过期获得2哦,通过抿嘴呼吸通过嘴,或通过自愿抬高软腭。膜片闭合可通过测量鼻腔CO来监测2。对于不能屏住呼吸的婴儿和儿童,可以在无声潮汐呼吸时测量,尽管这种方法的值往往变化更大。
呼气与平行采样
测量是在深度吸入无no气体后进行的,然后通过鼻子(闭着嘴)缓慢呼出到覆盖鼻子的紧密贴合的口罩中[262]或通过平行紧密配合的鼻橄榄[263]。受试者应该有流速的反馈。流速在45-55 mL·s之间是被认可的测量−1高原在10秒处建立。如果NO值变化超过10% [264],则应添加另一个测量值并显示平均值。附加的信息要记录之间的比率F伊诺50和FnNO50。
在哼唱时,可以测量鼻腔NO,以专门研究鼻窦和鼻腔之间是否存在气体传递[265]。
对未来研究的建议:在线FnNO测量已经很发达,但最佳的测量技术尚未确定。嗡嗡声的最佳声音频率的确定需要进一步的研究。现有的研究存在缺陷,因为研究对象较少,使用了多种方法,如不同的一氧化氮分析仪、采样流和呼吸操作。低流量比高流量需要更长的时间才能达到NO平台,并且可以给出超出仪器校准范围的值。文献中的大多数研究采用化学发光方法,利用化学发光分析仪的固有流量或外部泵,直接从一个鼻孔吸气取样鼻腔气体。最近引入的便携式电化学装置用于手持式NO测量带来了额外的方法上的困难,但以50 mL·s的流速呼气的使用−1可以推荐。
一种可靠和标准化的方法FnNO测量是必要的,以便能够比较不同实验室的结果,并制定适当的参考值。
研究人员认为,鼻腔一氧化氮测量在疾病筛查和治疗效果监测方面具有潜在的作用。然而,这只证明了PCD,需要更多的工作来建立鼻腔NO作为其他疾病的潜在生物标志物。
肺泡和气道一氧化氮参数的估计
低流速呼出的NO主要反映了中央大气道的NO动力学,对肺周围(小气道和肺实质)NO动力学的变化不敏感。肺一氧化氮动力学的数学模型,有时被称为扩展一氧化氮分析,已经提出了基于一个简单的和鲁棒的肺双室模型。简而言之,该模型由代表呼吸性细支气管和肺泡(肺泡或腺泡室)内NO动力学的可扩张部分和代表从气管到呼吸性细支气管(支气管室)的较大传导气道的单个圆柱形管组成[270,271]。考虑到气道向肺周围(喇叭状气道)的横截面积增加,以及引导气道向肺泡方向反向扩散NO的可能性,对模型进行了进一步的微调[272]。统计方法也被用于改进对NO动态的估计[273]。
二室模型的一般方程
双室模型预测F伊诺(或NO输出)作为流量的函数,通过非线性方程: 1JawNO可计算如下: 2文献中最常用的模型是线性模型和非线性模型。当开发出新的模型时,最好将它们与这些模型中的一个进行比较。
非线性模型:在NO输出图上拟合非线性曲线(Eq. 1与流量允许推导C另,DawNO和CawNO[271]。Högman & Merilänen算法(HMA)就是这样一个模型[239,274,275]。HMA方法的一个特殊附加功能是使用一种算法来测试测量的数据点集是否在数学上与模型一致。数据保证有效解决方案所需的条件DawNO和CawNO可以写成一般形式: 3.如果不是这样,则数据集在测量流速或NO浓度时存在错误,或者两者都存在错误。然后测量的数据点在数学上与模型不一致。
NO参数(C另,CawNO和DawNO)可以在标准的Microsoft Excel环境中输入算法,以创建具有各自流速和NO呼出量的曲线形式。的F伊诺50是估计的,并给出与测量的比较F伊诺50作为质量控制。非线性建模误差最小,是目前最好的方法[276],尽管这对病人来说更具挑战性。
线性模型:泰勒对方程1在零附近的发展,限制在第一项,允许提出一个更简单的模型,将NO输出与流速线性联系起来[270]: 4NO输出随流量的线性回归给出C另作为直线的斜率JawNO在y轴上的截距。回归线的r值是强制性的,因为它给出了测量的质量,并且应该是>0.95。
流
同样的技术F伊诺50,但所使用的流程必须根据所选择的扩展NO分析方法,即线性或非线性方法来选择。通常在50 mL·s的流速下,10 s后呼出NO平台值即可达到−1。2005年ATS/ERS文件建议在3 s窗口内评估平台NO浓度[2],它已包含在许多分析仪的软件中。通过扩展NO测量,在低呼气流量下比在高呼气流量下达到平台值所需的时间更长。高流速下的平台值可能不会延长3秒,因此可能需要人工判断。
非线性模型:至少需要三个流量的NO值:一个低流量(≤20 mL·s)−1),培养基1份(100 mL·s−1)和一个高(350 mL·s−1甚至400 mL·s−1) [270]。每次流量至少进行两次测量,并使用流量和NO浓度的平均值来计算NO参数。F伊诺50可以估计。对于无法执行高流速的呼吸困难儿童和成人,如果估计,可以接受较低的流速F伊诺50是否在测量值的5 ppb以内F伊诺50。这只适用于测量的数据点集在数学上是一致的。
线性模型:在实践中,线性模型从测量开始F伊诺50这应该总是用于比较,但不包括在模型中。然后进行三次至少100 mL·s的呼气流−1或更高,流速最高为350 mL·s−1,甚至400 mL·s−1。每个流量至少进行两次测量。当孩子无法达到最高流速率时,可以接受较低的流速率,即。250毫升·年代−1。通过使用具有相应NO值的测量流来计算每次测量的NO输出。根据精确测量的流量绘制NO消除值,并绘制回归线。
对未来研究的建议
建模NO动力学最重要的优点是增益C另这可能有助于评估气道疾病和肺间质性疾病的小气道或肺实质炎症[224]。JawNO与…密切相关F伊诺50并没有必要增加太多的临床价值F伊诺50,但分JawNO变成它的组成部分,也就是CawNO和DawNO,可以增加对传导气道一氧化氮排泄增加的生理过程的理解。
建模一氧化氮动力学的缺点是需要一个更复杂的估计方法。数学上,在不同流速下(≥100 mL·s)至少有两个NO值−1)必须用于计算C另和JawNO,分别反映外周室和中央室NO的动态[270,277]。划分JawNO分解成它的组成部分CawNO和DawNO第三低(<20 mL·s)−1)流量必须包括[275]。此外,还提出了许多不同的数学解来计算这些NO参数[271因此,需要对流动和数学进行标准化,以便进行研究之间的比较。
结合分子扩散的一氧化氮产生和运输模型强调,后者将一氧化氮分子从周围气道带回肺泡室,并增加C另独立于原位NO产量[272,278:所谓的反向扩散现象。因此,C另提出了基于气道NO输出的校正公式。非常重要的是要明白,这些校正是建立的,因此只适用于健康受试者或无梗阻的患者。在外周气道口径减小的情况下,反向扩散可能不太重要,在疾病状态下盲目应用这些公式可能导致矫枉过正[275,279]。NO参数的计算也依赖于流量,校正因子的使用将过度调整C另,有时变为负值[275]。因此,不建议使用校正因子进行轴向反向扩散(补充7)。
如果,尽管数据集中没有检测到错误,但质量控制(线性模型的r>0.95或非线性模型的Eq. 3)没有实现或为负值C另价值是推导出来的,模型可能是不充分的。从生理上讲,这是一种计算C另应该是正的。一个负C另更多的是表明呼吸系统一氧化氮产生的模型是不充分的。
一氧化氮测量的仪器考虑
一氧化氮分析仪的基本设备规格先前已描述[2]。目前有几种基于化学发光、电化学传感和激光检测的临床应用技术[240]。化学发光装置是第一个被实施的,因此被认为是标准技术。所有后来发展的检测方法的测量一氧化氮介绍了比较化学发光。
化学发光仪器
这种分析仪间接测量NO,通过与臭氧发生化学反应而产生的光。通常建议每月校准一次,校准气体高达2000 ppb,每天设置零。此外,还需要对化学反应转化器和臭氧发生器及其外围部件进行年度检查。化学发光仪器提供快速的响应时间,在0.5到0.7 s之间,并且具有良好的检测限(0.1-0.5 ppb)。可直接进行重复测量。该分析仪可配备一个控制呼出流量的装置。这些仪器的投资和运行成本很高,限制了它们在常规临床应用或家庭监测中的使用。
电化学传感器
电化学传感器已经迅速普及,因为它们是手持设备,重量小于1公斤。它们测量一氧化氮浓度通过可探测的电信号(如。电流)。它们的检测范围从约5 ppb到300 ppb,精度为±5 ppb或测量值的±10%。响应时间<10 s,分析时间为60-100 s。与化学发光分析仪相比,支持手持式分析仪的电化学技术不允许测试前校准。每个分析仪包括一个可更换的传感器,在1-2年后或在制造商指定的一些有效测量后更换。由于无法进行定期校准,这类分析仪的性能特征可能随时间或更换传感器而改变[287]。分析仪配备了压力测量组,以执行10-20 cmH的呼气压力2O,保持固定流速50±5 mL·s−1。患者可以通过显示器或流量指示器进行引导。
电化学分析仪专门用于F伊诺50测量(243,288]。对于< 30ppb的值,测量的再现性小于测量值的3ppb,对于bbb30 ppb的值,测量值的再现性小于测量值的10% [288]。的区别F伊诺50与标准化学发光技术相比,该值在±4-10 ppb范围内。大多数使用者认为这些结果在临床上是可以接受的[243]。一些分析人员认为一次呼气就足以获得可靠的临床数据;对其他人来说,至少需要三次呼气。241]。对于儿童,多次测试可能是必要的,因为分析仪不记录F伊诺50在测量儿童呼出一氧化氮时,呼气操作不当是一种常见的情况。总的来说,电化学传感器似乎适用于常规临床实践。
额外的技术
其他小型传感器也在研发中,例如智能呼吸健康诊断系统[289基于智能固态微传感器技术。光学传感器也可用于检测低水平(ppb)的NO浓度。这些测量来自激光源的光强度由于NO的吸收而降低。几个研究小组已经开发出基于激光的NO传感器[286,290–294]。该仪器专为使用激光(NO, CO, CO .)进行多组分分析而设计2用一个量子级联激光器和CO和N2O与另一个),可以在1秒内检测<0.3 ppb的NO,并包括一个用于多个呼出流的呼吸采样系统。
技术维护
化学发光仪器由于信号的漂移,需要日常维护流量和NO零设置。NO和流量的校准按制造商建议的间隔进行,但在进行测量之前应纠正信号的任何漂移。电化学传感器需要调零,制造商提出了不同的解决方案。基于激光的分析仪不需要耗材,允许最小的维护。鉴于NO信号依赖于流量,流速指示应该是强制性的。有不同的方法来测量呼气流量,关键的是,NO测量是在准确的流量,它是针对执行。与电化学电池相比,化学发光仪器具有响应时间快和能够在大流量范围内测量NO的优势。一氧化碳的使用2建议离线测量或鼻腔NO测量,以表明进行了准确的采样。
结论:呼出一氧化氮
目前的声明并不旨在解释潜在的临床应用F伊诺测量或扩展NO分析。尽管在呼出一氧化氮测量领域已有大量的研究,但为了达到数据的可比性,还需要进一步研究NO建模的参考值。鼻腔NO测量的适当标准化也需要进一步的探索性工作。
呼出气体中的微粒
呼出的气体中含有一种由小颗粒组成的气溶胶。在EBC中发现的所有非挥发物都可能来自这些颗粒。然而,冷凝是一种低效的收集非挥发物的方法,因为许多颗粒通过冷凝器而没有被收集。重要的是,在进行定量分析时,内源性呼出颗粒物的产生存在很大的个体间差异[295,296]。
在潮汐呼吸时,呼出的颗粒物(PEx)的数量非常低,远低于周围空气,似乎不受阻塞性气道疾病的影响[297]。通过使用允许在气道关闭后打开气道的呼吸操作,PEx的数量大幅增加(高达18倍)[298],加强了对其化学成分的分析,同时也表明了这些颗粒的来源。观察到气道阻塞受试者的PEx数量减少[299]。这些结果表明,大多数PEx起源于非常远端的气道,气道关闭和重新开放发生。这一结论进一步得到了以下结果的支持:在剩余肺容量下,随着屏气时间的增加,PEx的次数呈剂量依赖性增加;在全肺容量下屏气,PEx的次数减少[300],后者可能导致气道内形成的最大颗粒沉积。
当以允许气道打开的方式取样时,PEx含有约75%的磷脂和25%的蛋白质。所观察到的PEx的磷脂组成与呼吸道粘膜液的磷脂组成相似。飞行时间-二次离子质谱显示哮喘患者PEx的磷脂组成发生改变,哮喘患者体内的不饱和磷脂较少,吸烟者体内的质子化磷脂多于不吸烟者[301]。在动物实验中,表面活性剂的磷脂组成的改变最近已被强烈地联系到发展如。慢性阻塞性肺病(302],这表明这是未来研究的一个有趣领域。
在一项对健康个体汇总PEx样本的鸟枪蛋白质组学研究中[301,303],共鉴定出124种蛋白,其中大部分为细胞外蛋白。未检测到淀粉酶,排除了PEx样品口腔污染的可能性,也未检测到任何粘蛋白,进一步支持样品的外周来源。
采用酶联免疫吸附试验(ELISA)分析PEx中的表面活性剂蛋白a (SP-A)。304]。在对9名健康受试者的100升呼出气体取样后,检测PEx和EBC中的SP-A水平时,SP-A在所有PEx样本中均远高于检测极限,但在18个EBC样本中仅在5个样本中高于检测极限。与年龄匹配的健康对照相比,PEx中的SP-A在COPD (II-IV期)中也显示出增加,并且与COPD患者的肺功能显著相关[305]。开发了一种基于撞击取样呼出气体中非挥发物的新方法:呼出空气中的颗粒(PExA™)。这种方法可以计算出不同大小间隔的呼出颗粒的数量,从而可以进行定量化学分析[284,289]。它还允许从小气道中反复取样呼吸道粘膜液体。对呼出颗粒取样的其他方法,如过滤器收集、液体撞击和湿壁旋风等,迄今为止只在实验环境中进行了评估[295,300];聚四氟乙烯过滤器表现最好,从细胞因子浓度飙升的雾化气溶胶中平均捕获20-30%的细胞因子[306]。这种方法的颗粒收集效率相对较低,这可能解释了为什么这些细胞因子的浓度低于ELISA试验的检测限(而在EBC中至少有一些是可检测到的)。使用PExA方法,因此需要另一种方法,即。确定健康和疾病状态下小气道粘膜液的常见成分。然而,这项工作还处于起步阶段。
总之,呼气颗粒的采样提供了一个新的机会来识别、量化和监测小气道的病理过程。目前还没有多中心的比较研究,但这种方法的标准化对未来的研究至关重要,包括呼吸操作、采样技术和样本分析。
对未来研究的建议:建议进一步研究以促进对颗粒从气道释放的理解,并更好地了解颗粒作为呼出生物标志物的潜在临床意义。
总体结论和未来预期
呼出的生物标志物形成了一个快速发展的研究领域[307]。以前的指导方针促进了该领域研究工作的卓有成效的联网和精简。本文件的期望是相同的:提供当前知识的概述,并寻找新的视野。与许多其他医学研究领域一样,呼出生物标志物研究的根源可以追溯到几个世纪前,当时嗅觉(患者呼出的气味)被认为是检测肝肾衰竭的重要因素。再加上犬科动物能够区分不同癌症患者和健康受试者的呼吸样本[308],强调了通过挥发性化合物将呼出生物标志物领域与古代交流渠道联系起来的具体方面。蜜蜂可以通过训练来发出海洛因存在的信号,对昆虫生物传感器的研究也可能对呼出的生物标志物领域产生影响。309,310]。随着呼出生物标志物领域的不断发展,我们可能更多地依赖于人工甚至生物传感器衍生嗅觉系统的进一步发展,为识别呼出生物标志物模式提供更坚实的背景。呼吸组学可能成为个体化医疗的基石[311],但这需要更多地关注人类微生物组及其对“我们的”呼吸生物标志物谱的混淆作用[312]。迅速发展的电子鼻技术领域带来了可穿戴电子鼻(基于织物的电子传感器)的潜力,这也有助于“嗅出”健康与疾病之间的差异。313]。最终,在确定广泛实施之前,必须提供医学上可接受的诊断、表型和临床病程预测的阳性和/或阴性预测值。
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脚注
本文的补充资料来自www.qdcxjkg.com
支持声明:资金由欧洲呼吸学会提供。188bet官网地址本文的资助信息已存入交叉基金注册处
利益冲突:T. Tonia是欧洲呼吸学会的方法学家。188bet官网地址进一步的披露可以在这篇文章的旁边找到www.qdcxjkg.com
- 收到了2016年5月12日。
- 接受2017年1月9日。
- 版权所有©ERS 2017
参考文献
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