人呼吸气体

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 色谱质谱明星产品前处理气相色谱离子色谱液相色谱气质联用液质联用AA/ICP/ICPMS软件 更多仪器配置和方案推荐色谱质谱全流程食品安全固废专项临床检测RoHS检测中药分析化药分析代谢组学

中医中有望闻问切，闻诊这种说法，就是通过声音和气味诊断疾病。听着非常邪乎，闻一下怎么就能看病了呢？ 中医“闻诊”就是通过声音和气味诊断疾病。随着西医发展至今，才揭示了其背后真正的奥妙——呼出气中含有多种挥发性有机物VOCs（如脂族化合物、醇、醛、酮、胺及卤代化合物），通过对不同疾病相关的生物标志物的检测，辅助疾病的早期诊断，早发现早干预早治疗。案例一：“葡萄状”气味的2-氨基苯乙酮 如感染铜绿假单胞菌的患者呼出气会释放一种“葡萄状”气味分子2-氨基苯乙酮[1]。案例二：“烂苹果味”的丙酮 糖尿病酮症酸中毒的病人呼出气体中常常伴有“烂苹果味”，这其实是呼出气中含有丙酮含量远远高出正常人。丙酮是糖尿病患者呼出气的生物标志物，也是一种VOCs。到底什么是呼出气VOCs？呼出气VOCs是指人体呼出，沸点介于50-260℃之间的挥发性有机化合物，分为外源性VOC和内源性VOC。外源性VOC可以产生于环境大气中，通过呼吸道或皮肤吸入或者吸烟后，同样会产生VOCs。而内源性VOC则产生于身体各个部位细胞的生化反应，反应了身体的新陈代谢，这部分的VOCs主要来源于肺泡，所以肺泡的呼出气中的生物标志物更能反应身体的疾病情况。那怎么才能采集到肺泡部分的挥发性有机物VOCs呢？可以根据不同的呼吸阶段CO2分压值的不同来区分。人呼出的气可以分为不同阶段人正常呼吸的全部气体是呼出混合气，大致可分为三个阶段，第I阶段为呼吸道内的死腔气，基本不含二氧化碳，第II阶段为肺泡和腔的混合气，第III阶段是肺泡气，二氧化碳值较高。所以可根据二氧化碳的分压值，识别呼吸阶段以及控制肺泡取样。（图1中表示：I+II+III 期=呼气期（“混合呼气期”，III 期=肺泡气期。PetCO2=呼气末二氧化碳分压） 图1：不同呼吸阶段的二氧化碳分压值 图来源：Elsevier Science & Technology Journals（2004）由于对呼吸采样标准没有严格要求，目前很多研究使用的仍然是整个呼气的采样（混合呼气）。由于混合呼吸会有污染物的影响，而肺泡气中的VOCs浓度比混合呼出气的高出两倍，污染物的浓度也比混合呼气样低。因此，对呼出气的不同阶段进行取样，不仅可以提高呼气分析的可靠性，还可以帮助确定呼气生物标志物的来源。呼吸气采样的便捷性和非侵入性（Non-Invasive），可以频繁重复检测，对患者和采集样本的工作人员没有任何风险，呼吸VOCs分析有望成为一种新型的无创诊断工具。呼吸采样分析挑战在于如何收集肺泡气 Sampling case-B气体采样器可在护理点进行直接肺泡取样，无需任何额外的采样、储存或预浓缩步骤。采样前，设置CO2阈值，以便区分呼吸周期的吸气期和肺泡期。一旦超过阈值，阀门将会打开，呼出的肺泡气体将被自动收集到一种带填料的捕集针被吸附——Needle trap 动态捕集针。采样原理图如图2，这样可以准确地识别呼吸周期的肺泡期和吸气期。 图2：二氧化碳自动控制动态针捕集呼吸采样装置应用案例：Needle trap动态捕集针技术在护理点呼吸采样实验步骤：● 采样方式:猪肺泡呼吸样本通过手动和自动肺泡采样的两种采样方式。● 动物接受了血管外科手术以研究脊髓缺血的影响。分别从麻醉诱导后、手术准备后、脊髓动脉夹闭后5min取标本。异丙酚诱导维持麻醉。● 样品体积为20毫升，每次取样时用每种取样方法重复两次。在这些实验中只使用了定制的NT，填料为2 cm的甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚物。 图3：手动采样 图4：自动肺泡采样 *结果 图5：手动和自动采样的比较当自动取样时，峰面积要高得多。这些结果表明，自动采样，特别是在高呼吸频率下，比人工采样更有效。（如图5所示）所以，Needle trap动态捕集针技术为气态基质中的痕量分析提供了一种全新的、强有力的样品制备方式。 图6：Needle trap动态捕集针技术 Needle trap动态捕集针技术具有以下优点：● 灵敏度高，适用于痕量级别的气体分析，减少采样时间和体积；● 结合采样器可实现直接肺泡采样，容易储存和运输；● 解析速率快，直接进样口分析，无需冷阱聚焦；● 可复合多种吸附剂，适用不同化合物。参考文献[1] 呼出气分析在肺炎病原体诊断中的研究进展.[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

近日，由中科院沈阳自动化研究所与沈阳新松医疗科技股份有限公司(以下简称新松医疗)共同开发研制的新松DPAP系列无创呼吸机获得辽宁省食品药品监督管理局颁发的医疗器械注册证，可以批量生产上市。该呼吸机的生产上市标志着此类进口无创呼吸机高端产品长期垄断我国无创呼吸机市场的桎梏被打破，对于我国无创呼吸机产业发展具有里程碑的意义。 　　无创呼吸机是一种人工的机械通气装置，用以辅助或控制患者的自主呼吸运动，以达到肺内气体交换的功能，降低人体的消耗，以利于呼吸功能的恢复。无创呼吸机主要工作原理是患者自主呼吸触发按需流量阀开放，通过口鼻面罩给患者提供可以满足通气需要的高速气流，吸气时呼吸机通过一定的高压力把空气压进人的肺部，呼气时呼吸机通过较低的压力使人把肺内的二氧化碳由口或鼻子从口鼻面罩上面的排气孔排出体外。无创呼吸机流速一般为120L/min以上且能根据患者的需要增加或减少，在提供气流的同时保持管路内的压力在预设的压力水平。当患者没有自主呼吸的情况下，呼吸机会按照预设的吸气压、呼气压、呼吸频率和吸呼时比帮助患者呼吸，并监测包括压力(吸气压，呼气压)、呼气潮气量、呼吸频率、漏气量、峰流速、吸呼时比(I:E)等参数，还可以分别调节吸气和呼气触发灵敏度，在压力超限、漏气、断电、设备操作故障时会以声光警报信号提醒使用者。 　　无创呼吸机的临床应用分为三大类。一类以呼吸系统疾病为主，包括肺部感染，肺不张、哮喘、肺水肿等影响肺内气体交换功能，此时呼吸机的治疗主要改善肺内气体交换，提高血液中氧浓度和排除二氧化碳 第二类以外科手术为主，有利于病人麻醉恢复，维持正常的呼吸功能，减少呼吸肌运动，降低氧耗量 第三类以睡眠呼吸暂停为主，通过一定的压力解决上气道的堵塞情况。根据世界卫生组织数据显示，全世界共有六亿人口面对慢性阻塞型肺疾病(COPD)的威胁。当其它疾病因医学的发达而日益减少之际，COPD却有逐渐上升的趋势。预计在2020年，将变成世界上第五大疾病。在我国，目前约有3800万个COPD患者。当COPD患者病情发展到呼吸衰竭时，无创呼吸机将成为患者家庭康复治疗的必然选择。在睡眠呼吸疾病方面，国际医学界普遍认为无创呼吸机治疗睡眠呼吸暂停综合症是最为简洁经济的方式，无创呼吸机产品在国外得到普遍的临床应用，每年约有200万台的市场需求。目前中国约有4000万的睡眠呼吸暂停综合征患者，每年有800万患者就诊(按OSAS的发生率为37.5%并结合老龄人口增长率计算)，如果有5%的患者遵医嘱采用无创呼吸机进行治疗，每年将有40万台无创呼吸机的需求。 　　国外无创呼吸机占领我国医疗器械市场是在非典型性肺炎(SARS)爆发的2003年。SARS期间，在疗效尚不明确的情况下，呼吸科医生使用多种药物(如抗生素、抗病毒药、免疫调节剂、糖皮质激素等)和高压氧舱、有创呼吸机、无创呼吸机等医疗设备治愈了数以万计的SARS患者，但通过对愈后患者生活质量统计，发现只有无创呼吸机治愈的患者才能恢复到正常人的生活质量水平。目前，国外此类产品在市场上处于垄断地位。 　　DPAP系列无创呼吸机的研制得到了辽宁省、沈阳市和沈阳高新区科技计划项目的支持，沈阳自动化所科研人员与企业的产品开发人员紧密配合，在短时间内就完成了无创呼吸机的吸气同步触发技术、漏气补偿技术、气道降噪技术、高稳定性气体流量传感器等关键性技术研究工作并进行了原理性验证，开发了产品样机。2009年12月，DPAP系列无创呼吸机样机通过了国家食品药品监督管理局天津市医疗器械质量监督检验中心进行的医疗器械注册第三方检测，检测结果证明，无创呼吸机符合产品技术标准和注册要求，具备了医疗器械注册证申请条件。相对国外同类型产品更加符合国人生理标准，同时在价格上具有一定的优势。