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呼吸居然有蘋(píng)果味?其實(shí)是疾病征兆


中醫(yī)中有望聞問(wèn)切,聞診這種說(shuō)法,就是通過(guò)聲音和氣味診斷疾病。聽(tīng)著非常邪乎,聞一下怎么就能看病了呢?

 

 

 

中醫(yī)聞診就是通過(guò)聲音和氣味診斷疾病。隨著西醫(yī)發(fā)展至今,才揭示了其背后真正的奧妙——呼出氣中含有多種揮發(fā)性有機(jī)物VOCs(如脂族化合物、醇、醛、酮、胺及鹵代化合物),通過(guò)對(duì)不同疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物的檢測(cè),輔助疾病的早期診斷,早發(fā)現(xiàn)早干預(yù)早治療。

 

案例一:葡萄狀氣味的2-氨基苯乙酮

 

如感染銅綠假單胞菌的患者呼出氣會(huì)釋放一種葡萄狀氣味分子2-氨基苯乙酮[1]。


案例二:爛蘋(píng)果味的丙酮

 


糖尿病酮癥酸中毒的病人呼出氣體中常常伴有爛蘋(píng)果味,這其實(shí)是呼出氣中含有丙酮含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出正常人。丙酮是糖尿病患者呼出氣的生物標(biāo)志物,也是一種VOCs



到底什么是呼出氣VOCs?


呼出氣VOCs是指人體呼出,沸點(diǎn)介于50-260℃之間的揮發(fā)性有機(jī)化合物,分為外源性VOC和內(nèi)源性VOC。


外源性VOC可以產(chǎn)生于環(huán)境大氣中,通過(guò)呼吸道或皮膚吸入或者吸煙后,同樣會(huì)產(chǎn)生VOCs。而內(nèi)源性VOC則產(chǎn)生于身體各個(gè)部位細(xì)胞的生化反應(yīng),反應(yīng)了身體的新陳代謝,這部分的VOCs主要來(lái)源于肺泡,所以肺泡的呼出氣中的生物標(biāo)志物更能反應(yīng)身體的疾病情況。


那怎么才能采集到肺泡部分的揮發(fā)性有機(jī)物VOCs呢?可以根據(jù)不同的呼吸階段CO2分壓值的不同來(lái)區(qū)分。



人呼出的氣可以分為不同階段


人正常呼吸的全部氣體是呼出混合氣,大致可分為三個(gè)階段,第I階段為呼吸道內(nèi)的死腔氣,基本不含二氧化碳,第II階段為肺泡和腔的混合氣,第III階段是肺泡氣,二氧化碳值較高。所以可根據(jù)二氧化碳的分壓值,識(shí)別呼吸階段以及控制肺泡取樣。


(圖1中表示:I+II+III =呼氣期(混合呼氣期,III =肺泡氣期。PetCO2=呼氣末二氧化碳分壓)


 

                         圖1:不同呼吸階段的二氧化碳分壓值

                圖來(lái)源:Elsevier Science & Technology Journals2004


由于對(duì)呼吸采樣標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有嚴(yán)格要求,目前很多研究使用的仍然是整個(gè)呼氣的采樣(混合呼氣)。由于混合呼吸會(huì)有污染物的影響,而肺泡氣中的VOCs濃度比混合呼出氣的高出兩倍,污染物的濃度也比混合呼氣樣低。因此,對(duì)呼出氣的不同階段進(jìn)行取樣,不僅可以提高呼氣分析的可靠性,還可以幫助確定呼氣生物標(biāo)志物的來(lái)源。


呼吸氣采樣的便捷性和非侵入性(Non-Invasive),可以頻繁重復(fù)檢測(cè),對(duì)患者和采集樣本的工作人員沒(méi)有任何風(fēng)險(xiǎn),呼吸VOCs分析有望成為一種新型的無(wú)創(chuàng)診斷工具。



呼吸采樣分析挑戰(zhàn)在于如何收集肺泡氣

 


Sampling case-B氣體采樣器可在護(hù)理點(diǎn)進(jìn)行直接肺泡取樣,無(wú)需任何額外的采樣、儲(chǔ)存或預(yù)濃縮步驟。


采樣前,設(shè)置CO2閾值,以便區(qū)分呼吸周期的吸氣期和肺泡期。一旦超過(guò)閾值,閥門(mén)將會(huì)打開(kāi),呼出的肺泡氣體將被自動(dòng)收集到一種帶填料的捕集針被吸附——Needle trap 動(dòng)態(tài)捕集針。采樣原理圖如圖2,這樣可以準(zhǔn)確地識(shí)別呼吸周期的肺泡期和吸氣期。


 

                 圖2:二氧化碳自動(dòng)控制動(dòng)態(tài)針捕集呼吸采樣裝置


應(yīng)用案例:

Needle trap動(dòng)態(tài)捕集針技術(shù)在護(hù)理

點(diǎn)呼吸采樣


實(shí)驗(yàn)步驟:


●   采樣方式:豬肺泡呼吸樣本通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)肺泡采樣的兩種采樣方式。


●   動(dòng)物接受了血管外科手術(shù)以研究脊髓缺血的影響。分別從麻醉誘導(dǎo)后、手術(shù)準(zhǔn)備后、脊髓動(dòng)脈夾閉后5min取標(biāo)本。異丙酚誘導(dǎo)維持麻醉。


●   樣品體積為20毫升,每次取樣時(shí)用每種取樣方法重復(fù)兩次。在這些實(shí)驗(yàn)中只使用了定制的NT,填料為2 cm的甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚物。


 

                               圖3:手動(dòng)采樣

 


 

                          圖4:自動(dòng)肺泡采樣

 

結(jié)果

 

                         圖5:手動(dòng)和自動(dòng)采樣的比較


當(dāng)自動(dòng)取樣時(shí),峰面積要高得多。這些結(jié)果表明,自動(dòng)采樣,特別是在高呼吸頻率下,比人工采樣更有效。(如圖5所示)


所以,Needle trap動(dòng)態(tài)捕集針技術(shù)為氣態(tài)基質(zhì)中的痕量分析提供了一種全新的、強(qiáng)有力的樣品制備方式。

 

                         圖6Needle trap動(dòng)態(tài)捕集針技術(shù)

 

Needle trap動(dòng)態(tài)捕集針技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

●   靈敏度高,適用于痕量級(jí)別的氣體分析,減少采樣時(shí)間和體積;

●   結(jié)合采樣器可實(shí)現(xiàn)直接肺泡采樣,容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸;

●   解析速率快,直接進(jìn)樣口分析,無(wú)需冷阱聚焦;

●   可復(fù)合多種吸附劑,適用不同化合物。



參考文獻(xiàn)

[1] 呼出氣分析在肺炎病原體診斷中的研究進(jìn)展.

[2] Microextraction techniques in breath biomarker analysis. Bioanalysis (2014) 6(9), 1275–1291

[3] Analytical Chemistry, Vol. 81, No. 14, July 15, 2009

[4] Anal Bioanal Chem (2013) 405:3105–3115 DOI 10.1007/s00216-013-6781-9