创新应用| 岛津TD-GCMS助力探索术后肺部并发症患者呼出气中潜在标志物
呼出气采集以其无创、简便、安全的独特优势，为健康监测提供了理想样本。当人体健康状态发生变化时，其呼出气中的挥发性有机化合物亦会发生特异性改变，通过解析这些“代谢指纹”，能够为疾病早期诊断与病情动态评估提供关键信息，展现出广阔的临床应用前景。本研究基于岛津热脱附-气相色谱质谱联用系统（TD-GCMS），分析了腹部术后患者的呼出气挥发性有机化合物，并利用Lasso回归分析及Logistic回归分析筛选和术后肺部并发症相关的特征性挥发性有机化合物，为术后肺部并发症的早期预警提供了新的思路。研究成果以“腹部术后肺部并发症患者呼出气挥发性有机化合物分析”为题，已发表在《中山大学学报（医学科学版）》。
引言
术后肺部并发症（Postoperative Pulmonary Complications, PPCs）定义为术后发生的任何肺部异常，产生临床显著可识别的，对手术后的临床过程带来不利影响的疾病或功能障碍。大量循证医学证据表明，PPCs的发生与患者死亡率升高、住院时间延长及医疗费用激增显著相关。尽管已有研究构建了基于临床数据的相关预测模型，但其预测效能和特异性常不足以指导精准的个体化预防。
呼出气挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）分析作为一种新兴的“非侵入性窗口”，能够实时反映机体在生理、病理状态下的代谢变化。通过检测呼出气中因代谢变化而发生改变的VOCs，或可评估人体的健康状态和疾病进展情况，在早期疾病筛查和预测中展现出广阔的应用前景。然而，在PPCs这一高发、高危的临床场景中，呼出气中的VOCs研究尚属空白。因此寻找呼出气中PPCs相关的VOCs，利用患者呼出气中的VOCs差异成分进行PPCs的预测具有较大的临床应用价值。
研究中使用热脱附-气相色谱质谱联用（Thermal Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry，TD-GCMS）这一VOCs分析的“金标准”技术对患者呼出气进行检测，通过岛津热脱附系统对呼出气样本中的痕量VOCs进行高效吸附及富集，同时利用气相色谱对复杂多组分混合物的分离能力化解复杂基质的干扰，并凭借质谱获得化合物的定性分析结果。本研究采集腹部术后患者的呼出气，分析其中的VOCs并筛选和PPCs相关的特征性VOCs，以期为PPCs的无创预警提供极具前景的技术手段。
研究方法
本研究为一项探索性研究，前瞻性连续入组了2022年12月至2023年6月期间于北京大学人民医院行腹部手术后转入ICU的带气管插管患者。为最大程度控制混杂偏倚，设定了严格的排除标准，排除了既往有肺部疾病史、糖尿病、肝脏疾病、吸烟史及术前低氧血症等可能对VOCs有显著影响的个体。最终，76例患者构成高质量的研究队列，其中44例发生PPCs，32例未发生，两组基线资料均衡可比。
在患者入ICU24小时内，于控制通气条件下，经气管插管使用气体采样袋采集呼出气，并立即通过热脱附管进行吸附富集。该流程确保了挥发性、痕量目标化合物的稳定保存。采用岛津热脱附-气相色谱质谱联用（TD-GCMS）对患者呼出气中的VOCs进行分析检测（如图1所示），入组患者呼出气中可稳定检出的VOCs有87种。应用Lasso回归初步筛选具有预测潜力的VOCs变量，再将筛选出的变量纳入多因素Logistic回归模型，评估变量与PPCs的独立关联强度。
图1. TD-GCMS检测呼出气中挥发性有机化合物的设备和流程示意图。（A）热脱附-气相色谱质谱联用仪；（B）热脱附作用原理；（C）呼出气样品总离子流色谱图。
结果与讨论
面对高维度、小样本的数据特点，本研究采用了机器学习与经典统计相结合的策略：采用LASSO（Least Absolute Shrinkage and Selection Operator）回归，引入L1正则化惩罚函数，能够有效处理多重共线性并自动进行变量选择，从87种VOCs中稳健地筛选出4种最具预测潜力的候选物，分别为：王醛（Nonanal）、2,3,6-三甲基癸烷（2，3，6-Trimethyldecane）、3-乙基-3-甲基庚烷（3-Ethyl-3-methylheptane）和1-十六烷醇（1-Hexadecanol）（如表1所示）。将筛选出的变量纳入多因素Logistic回归模型，进一步控制潜在混杂，评估其与PPCs的独立关联强度，发现1-十六烷醇（1-Hexadecanol） 的含量与PPCs的发生显示出显著的独立相关性（OR = 1.000, 95% CI: 1.000097 - 1.000424, P = 0.002）。该结果表明，呼出气中1-十六烷醇浓度的升高与PPCs风险的增加显著相关。
已有文献报道，1-十六烷醇是促进肺表面活性物质中最重要的磷脂——二棕榈酰磷脂酰胆碱在界面快速吸附并扩展成分子膜的关键成分。术后急性肺损伤常伴随表面活性物质失活，而1-十六烷醇的升高，可能反映了机体在应激状态下为维持肺泡稳定而进行的代偿性合成与分泌活跃，或是肺泡Ⅱ型上皮细胞功能应激的标志。另一方面，1-十六烷醇可由乙酰辅酶A和丙酮酸代谢途径衍生，并进一步氧化为棕榈酸，进而用于磷脂的合成。因此1-十六烷醇在呼出气中浓度的变化，可能指向了PPCs发生前期，肺部局部乃至全身性的脂质代谢重编程，这也为理解PPCs的病理生理机制提供了一种具有潜力的研究靶点。
结论
本研究通过将呼气组学研究设计与岛津TD-GCMS这一高通量分析技术相结合，从患者呼出气中鉴定出与腹部术后肺部并发症显著相关的潜在新型生物标志物——1-十六烷醇，为PPCs的早期无创预警提供了具有潜力的研究靶点。同时展示了呼出气分析在围术期医学中的潜在应用价值，呼出气分析以其无创、动态、信息丰富的独特优势，突破了传统监测方法的局限，为术后并发症的早期观察提供了一个新的探索方向。
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文中方案所涉产品仅作科研用途，不用于临床诊断。
参考文献：
王斌等. 腹部术后肺部并发症患者呼出气挥发性有机化合物分析[J].《中山大学学报（医学科学版）》.
