气相色谱筛查早期肺癌还有多长的路要走

编者注：傅若农教授生于1930年，1953年毕业于北京大学化学系，而后一直在北京理工大学(原北京工业学院)从事教学与科研工作。1958年，傅若农教授开始带领学生初步进入吸附柱色谱和气相色谱的探索;1966到1976年系统地阅读并翻译了两本气相色谱启蒙书，从此进入其后半生一直从事的事业——色谱研究。傅若农教授是我国老一辈色谱研究专家，见证了我国气相色谱研究的发展，为我国培养了众多色谱研究人才。

1 化学泰斗鲍林把气相色谱用于医学诊断

　　早在上世纪70年代初，著名化学家鲍林在斯坦福大学任教期间，就提出用气相色谱检测呼吸气、血、尿、体液等预测疾病的方法(Proc Nat Acad Sci USA,1971,68(10):2374-2376)，他使用32.8m x 0.76mm的不锈钢毛细管色谱柱，固定相为SF 96 硅油，以0.5℃/min从20℃程序升温到180℃,得到图 1 的色谱图：

图 1 鲍林用气相色谱分析呼吸气体的色谱

2 早期探索GC/MS筛查肺癌

　　用呼吸气体诊断早期肺癌具有简便、无创、安全的特点，目前成为研究热点。研究的方法是筛选肺癌病人呼吸气体中可能的特征挥发性有机化合物(VOC s)。

　　1985年S. M. Gordon等用GC/MS检测肺癌患者呼吸气中的有机挥发性物质 (Clin Chem, 1985 ,31(8):1278-1282)，在这项研究中，他们探讨了肺癌患者的呼吸气中可能含有独特的挥发性有机化合物，用以进行无创肺癌诊断。他们用电脑辅助提取特征挥发性有机物，使用气相色谱/质谱和多变量统计进行分析，收集的14个肺癌患者的呼吸气样品。在化疗或放疗前收集呼吸气样品，所研究12例患者的特点总结在表1。

表 1 12名肺癌患者的情况

　　a--以一天一包的卷烟消费量计算年数

　　b—唯一一个女性

　　他们还研究了对照组九例正常人17个样品呼气。对照组9人，年龄25岁至70岁，包括一个妇女。两个男性是很重的吸烟者，他们没有肺病或全身性疾病史。大部分是医院人员。

　　(1) 样品采集

　　使用一个专门设计的系统收集呼出气，用一个60 / 80目Tenax GC吸附剂管收集呼气。如图2所示。

图 2 专门设计的收集呼出气设备

　　把一个消毒过的 Rudolph呼吸阀连接到呼气多路连接器上，并把弹簧夹夹到人鼻子上，通过连接到阀上的呼气嘴，测试者吸入净化空气5 min，然后通过阀门再呼出到大气中。这样可尽量减少任何环境中污染物吸入肺部的影响。 把Rudolph阀连接到加热的呼气输送管，测试者要把测定的呼气送到40升采样袋。每进行两次这样的填充后，通过呼气计量器施加外部压力把样品袋排空，第三次填充的呼气作为测定样品。用呼气计量器测定通气速率。

　　(2)GC/MS呼气测定

　　用Tenax吸附管吸附呼气中的挥发性有机化合物，之后进行热脱附，以一种惰性气体流洗脱吸附管中的样品，用液氮冷却被分析物，进行气相色谱/质谱分析。

　　为了提高质谱数据的质量，他们对原始数据应用一种有效的谱图增强算法，来比较气相色谱/质谱数据，这一程序自动从数据中定位和提取谱线，得到一组有效谱线，即没有干扰物的谱图，然后进行峰面积的计算，评价各个成分的浓度。在分析前，往Tenax GC提取柱中加入内标物(全氟甲苯)。然后对谱图中的峰进行保留时间和质谱检索。他们用了三个通用的统计程序来处理数据，从肺癌患者和对照人群中得到的297化合物中进行筛查统计。

　　结果说明肺癌患者和对照人呼气中有区别的化合物为16个含氧化合物及4个含硫化合物。得到的总离子流图如图3。

图 3 肺癌患者(a) 正常人(b)呼气中挥发性化合物的GC/MS图

3 后续的研究

　　(1) 1988年O,Nell等也进行类似的研究：

　　他们研究了8名肺癌患者，呼气收集和Gordon等用的方法一样，GC/MS分析：收集在Tenax管中的挥发性有机成分经220℃热脱附，用氦气吹送到液氮冷阱中，然后被迅速加热到250℃ 直接注入到气相色谱仪进样口。使用瓦里安3700型气相色谱仪，分离用毛细管柱为CP Wax 57CB(聚乙二醇固定相)。气相色谱和质谱分析条件为：色谱柱在0℃保持5 min，然后以4℃/ min程序升温到220℃。质谱分析使用Finnigan MAT 311A 质谱仪和SpectroSystem SS-200数据系统，每2.2s扫描 m/z 20- m/z 30的谱图。

　　90%肺癌患者呼气中都含有下列挥发性化合物：己烷，甲基戊烷，三甲基庚烷，异戊烯，苯，甲苯，乙苯，甲基乙基苯，三甲基苯，苯乙烯，萘，甲基萘，丙醛，丙酮，2-丁酮，酚，苯甲醛，乙酰丙酮，壬醛，丙酸乙酯，异丁酸甲酯，二氯甲烷，二氯苯，三氯乙烷，三氯氟甲烷，四氯乙烯。

　　(2)1999年Michael Phillips 等的研究：

　　Phillips 等 在“柳叶刀(Lancet，1999，353: 1930–33”杂志上发表的文章为后来的研究者广泛引用。他们也是把肺癌患者的呼吸气收集、浓缩、解析、冷冻富集、热脱附，用GC/MS进行分离检测，检测了108个肺癌患者，发现有22种挥发性有机物是肺癌患者的生物标记物，可用以鉴别早期肺癌。他们从1995年8月到1996年10月采集108名肺癌患者的呼气进行研究，这些患者的组织学诊断见下表2：

　　(I) 方法：试验患者在做支气管镜检查前，禁食24 h,使用类似上一节所述的呼吸气采集设备，采集呼吸气5 min,把10 L样品富集到活性炭吸附管中，同时收集环境空气样品做空白试验。样品经热脱附以后再用两次冷阱富集后进行色谱/质谱分析。

表 2 108名患者组织学诊断

(II) 结果：在呼吸气中发现有22种特征化合物，见表 3：

表 3 22种特征化合物

* 这些化合物有不确定性，贡献大小由上到下降低

　　在2003年Michael Phillips 等又在Chest (2003, 123:2115-2123)继续发表了用GC/MS进行肺癌患者呼气中特征有机挥发物的研究。这次公布了他们所使用的呼气的装置，见图4：

图 4 Phillips 等使用的呼气取样装置

　　他们比较了健康的志愿者与原发性肺癌患者呼气中挥发性有机物成分的差别，构建了鉴别肺癌的模型，这一模型使用刀切法(jack knife)和留一法(leave-one-out)进行交叉验证，留两个额外的测试组(没有被用来开发模型)用于验证。结果：178例肺癌患者，采用九个挥发性有机化合物的敏感性为89.6%。在交叉验证的敏感性为85.1%。采用九个挥发性有机化合物的模型可用于成年吸烟者的高危人群肺癌的筛查。

这9个化合物是：

　　(3) 2005年国内学者用SPME-GC进行肺癌患者呼气的研究

　　深圳职业技术学院的Hao Yu和浙江大学王平教授等于2005年在J Chromatogr B，2005，826：69–74上发表研究，用固相微萃取-气相色谱研究15个肺癌患者和15个健康人的呼气中的有机挥发物特征。他们借助前人的研究(O,Nell 和M Phillips 等)，认为肺癌患者呼气中的有机物为癸烷、十一烷、苯、苯乙烯和丙基苯。用SPME-GC分析这些化合物。

　　他们的实验分为三个部分。首先，对SPME萃取条件进行了优化;第二，用校准气体对气相色谱法进行评价，;第三把该方法应用于30人呼吸气分析，其中15个是肺癌患者和其他15是对比的健康人。结果表明这一方法是一种潜在的非侵入性呼吸气检测肺癌筛查的方法。

　　他们使用岛津GC17A气相色谱仪-火焰离子化检测器(FID)，和DB-1毛细管柱(30m x 0.25mm id x 0.25mm膜厚)，程序升温从40保持10min,再以5℃/min到150℃，最后在150℃保持10 min。进样口温度为280℃，FID 温度为320℃。载气流量为1mL/min。

　　用SPME手动柄进行萃取，固定相为聚二甲基硅氧烷(PDMS 100μm膜厚)，萃取温度26℃，萃取时间20 min。萃取后置于GC进样口，进样口温度320℃，以不分流模式进行分析。图 5是呼吸气GC分析的典型色谱图。

图 5 呼吸气GC分析的典型色谱图

1-乙醇，2-苯乙烯，3-癸烷，4-十一烷

　　(4) 2007年浙江大学的研究者用SPME-GC鉴定肺癌细胞中的有机挥发物

　　由于过去发表的文章中,肺癌病人呼吸物中的成分专属性不够，所以作者们用顶空固相微萃取-气相色谱(HS-SPME-GC)方法对肺癌细胞在体外进行呼吸诊断，测定在培养基中靶细胞的挥发性有机化合物，包括不同类型的肺癌细胞，如鳞状细胞癌细胞，腺癌，细支气管肺泡癌细胞，非小细胞癌细胞，支气管上皮细胞，味蕾细胞，成骨细胞，他们获得这些细胞的气味图谱。研究表明，每一种类型的细胞具有独特色谱。

　　有4种特殊的挥发性有机物，存在于肺癌细胞的所有培养基中，这是代谢的肺癌细胞的产物，可以看作是肺癌的标志物。有11种特征生物标记物，见表4：

表 4 11种特征生物标记物

4 近几年国内院校的研究

　　近几年国内有几座大学的研究生选择用呼吸气体诊断早期肺癌为研究课题

　　2008年浙江大学卢崇蓉的硕士论文 ：采集了30 例肺癌患者和30 例正常健康人的呼吸气体，采用固相微萃取和气相色谱分析技术对呼吸气体中的VOCs 进行检测，通过将所测的各个组分，在色谱图中的出峰时间和峰面积与制备的n 种标准气体样本比对，进行组分的定性定量分析。对照分析两组受试者呼吸气体中的VOC s ，初步筛选肺癌患者呼吸气体中的特征性VOCs。30 例肺癌患者中28 例检测出庚醛，其中2 例I期肺癌患者均检测出庚醛;30 例正常健康人中1 例检测出庚醛; 不同病理类型的肺癌患者中都可以检测到庚醛，且庚醛的浓度在腺癌组和鳞癌组中无明显统计学差异。30 例肺癌患者中18 例检测出甲基环戊烷，30 例正常健康人中10 例检测出甲基环戊烷; 两组受试者呼吸气体中检测到的甲基环戊烷的浓度无显著性差异。庚醛可能为肺癌患者的特征性VOCs 之一。

　　安徽医科大学宋耕的硕士学位论文——肺癌患者呼气中痕量挥发性有机化合物的定量检测，他们用Tedlar 采样袋收集43份非小细胞肺癌患者和41份正常人的呼气样品，经固相微萃取浓缩，用气相色谱-质谱检测呼气中的挥发性有机化合物，外标法定量。比较肺癌患者和正常人呼气中挥发性有机化合物的差异，结果在呼气样品中可检测出68-1 14种挥发性有机化合物，其中病例组的正丁醇和3-羟基-2-丁酮的色谱峰面积高于对照组。(安徽医科大学学，2008,43(3)：323-325)

　　暨南大学刘畅的论文，用z-Nose4300 气相色谱仪研究了肺癌患者呼出气组分，发现乙醇、丙酮可能作为肺癌及肺转移患者的特异性VOCs，苯、异丙醇、二甲硫醚、异戊二烯、甲苯、正戊烷等挥发性有机化合物可能与肺癌相关。

　　浙江大学医学院博士研究生胡燕婕的论文，以肺癌组织和肺癌细胞株为研究对象，以正常肺组织和正常支气管上皮细胞株作为对照，利用SPME-GC-MS研究肺癌与正常对照之间在组织细胞水平上VOCs表达的差异，用以探索肺癌特征性VOCs的产生机制。她们共检测分析18例原发性肺癌患者的手术标本及几种细胞株培养液顶空气体中的VOCs，结果发现：2-十五烷酮、十九烷、二十烷、癸烷等12种VOCs在肺癌组织中高表达,其中2-十五烷酮、十九烷、二十烷与肺癌细胞株结果相符,提示上述物质可能为肺癌潜在的特征性标志物。( 浙江大学学报-医学版，2010，39(3)：278-284)

　　国内有很多单位和专家从事通过人呼吸气中生物标记物检测来诊断各种疾病的研究。四川大学段忆翔教授近来有两篇综述文章涉及这一领域的研究。(Clinica Chimica Acta，2012， 413： 1770–1780;J Chromatogr B, 2015，1002：285–299)

5 个人的看法

　　用呼吸气体诊断早期肺癌具有简便、无创、安全的特点，成为目前研究热点。但是从各个研究得到结论来看，由于生物化学变化的复杂性，在肺癌患者的呼气中得到的挥发性化合物也是十分复杂，没有几种绝对的生物标记物来进行诊断确认。显然不像用14C尿素呼气试验检测幽门螺旋杆菌方法那样单纯。所以用呼吸气体诊断早期肺癌的研究，还有大量工作要做——找到几种十分专一的化合物来诊断确认肺癌，或另辟新的途径找到解决问题的办法。

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