呼气测试代替血液检测，离我们究竟还有多远

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与其做鼻拭子，不如想象一下做一个简单的2019冠状病毒疾病呼气测试。自大流行开始以来，一直在努力寻找呼出气中SARS-CoV-2感染的化学特征。4月14日，美国食品和药物管理局（FDA）宣布了首次紧急使用授权（EUA），用于检测呼吸中的COVID-19；根据提交给FDA的研究数据，InspectIR Systems公司的2019冠状病毒疾病呼气分析仪的灵敏度和特异性可与金标准PCR检测相媲美。

InspectIR与其他一些正在开发的呼气测试设备一起，其中一些已经通过了监管机构的审查（见下表）。分子识别和检测的进步，加上计算机算法和人工智能（AI）的改进，使这些设备更接近于从呼出物中识别数千种有机化合物的目标。

但该领域需要一种在多种环境和人群中工作的可靠设备，以获得广泛的商业应用。2021，总部位于阿姆斯特丹的Breathomix的SpiroNose的市场投放在不到一周的时间后暂停，因为该设备错过了25例2019冠状病毒疾病阳性病例。

即使如此，这对整个领域来说都是一个激动人心的时刻，因为每个人都看到了快速诊断的前景。

正在开发的呼吸分析仪。图片来源：Nature biotechnology

我们每天平均呼吸22000次。离开我们肺部的大部分是大气气体：氧气、二氧化碳和氮气。但是，这种空气的一小部分——不到1%——由称为挥发性有机化合物（VOCs）的碳基小分子组成。我们肺部深处的空气——所谓的肺泡呼吸——在每次呼吸的最后排出，其中含有丰富信息的挥发性有机化合物。因为身体的所有部分都是通过血液连接的，呼吸不仅可以包含呼吸状况的线索，还可以包含多种疾病的线索。

患有囊性纤维化的婴儿在接吻时产生的过量氯化物会给他们带来轻微的咸味。糖尿病患者不能使用葡萄糖迫使他们的身体依赖酮。身体最终会将这些物质分解成丙酮，这反映在血糖失控的人特有的果味中。

第一次推动基于呼吸的测试来自法律专业，而不是医学专业。警方需要一种方法来测量一个人的醉酒程度。Robert Borkenstein制造了一种装置，当乙醇与重铬酸钾反应时，它会检测到颜色变化，将其从红色变为绿色。其便携性和易用性使它们已成为警察的标配。

尽管呼气测试仪表明呼气测试是可能的，但试图开发疾病测试面临着重大障碍。对于大多数疾病来说，找到与细胞代谢有关的分子的呼吸特征“是大海捞针”，但有两个例外：幽门螺杆菌感染（胃溃疡的病因）和小肠细菌过度生长。前者可以通过饮用含有13C标记尿素的溶液来检测。幽门螺杆菌产生脲酶，将尿素分解为氨和二氧化碳。红外（IR）光谱法可以检测呼出气体中的标记CO2。小肠细菌过度生长的呼气测试依赖于甲烷水平的升高。

为了确定浓度为十亿分之一的一系列化合物，该领域很早就将质谱作为选择的工具。在进行质谱分析之前，先用气相色谱法分离挥发性有机化合物，以提供更高的分辨率。但是质谱仪的操作难度大，不便携。

为了使呼吸诊断成为主流，工程师需要制造一种更像呼气分析仪的设备。为此，科学家们从哺乳动物的嗅觉系统中获得了灵感。我们的大脑识别气味不是通过挑选特定的化学物质，而是通过分析嗅觉受体如何被激活的模式。为了在设备中复制这一点，工程师们制造了一台充满电化学传感器阵列的机器，当呼吸中的挥发性有机化合物与传感器结合时，它会改变传感器中的电流。然后，电子鼻将“读取”由某人的呼吸产生的电流变化模式，而无需识别分子本身。但是多次失败迫使呼吸科学家重新从电化学传感器回到质谱仪。因为从科学角度来看，质谱法具有无需预设目标的优势。

人类呼吸固有的巨大的变异性往往淹没了与疾病相关的微妙变化。人体呼吸质谱分析的精细灵敏度和细节，有助于从几乎震耳欲聋的噪音中提取非常小的特征信号。工程师们试验了不同的吸附剂（优先吸收特定分子的材料）来优先捕捉挥发性有机化合物和其他感兴趣的分子，以及各种类型的惰性塑料来捕捉呼吸以供以后分析。

总部位于新加坡的Breathonix开发了一种依靠质谱分析的设备，通过实时质谱（DART-MS）进行直接分析，可以量化一系列化学品。该机器将受试者的呼吸VOC模式与已知患有2019冠状病毒疾病的患者的呼吸VOC模式进行比较，可以在不到60秒内提供结果。Breathonix已经在超过50000人身上测试了他们的设备，报告了85.7%的敏感性和97%的特异性。

气相色谱法测定挥发性有机物。图片来源：Nature biotechnology

如今，质谱已不是唯一用于呼吸筛查和诊断的分析方法。红外光谱仪利用红外辐射激发有机分子中的共价键，并测量旋转和振动状态的变化来识别化合物。大多数红外光谱仪的尺寸较小，适合护理点使用。

位于加拿大Breathe Biomedical使用一种称为cavity ring-down的光谱仪。该公司设计了一种设备，可以在吸附管上捕捉肺泡呼吸。然后使用IR-CRDS（cavity ring-down光谱）对这些管子进行分析。该公司一直专注于乳腺癌和肺癌的筛查，并开始预测长COVID-19的发展。

研究团体正在重新审视电子鼻。所有这些设备都是便携式和手持式的，大小相当于两个背靠背的电视遥控器，并且都有望对2019冠状病毒疾病或其他疾病获得快速、准确的结果。所有电子鼻都由与模式识别软件耦合的气体传感器组成。微电子技术的进步使工程师能够缩小电子鼻的尺寸、成本和功率需求，使其适合在研究实验室之外使用。

电子鼻是实现这一目标的理想选择，因为需要检测人体产生的挥发性有机化合物比例的变化，而不是精确定位特定的生物标记物，因此电子鼻的感知模式的能力非常适合。机器学习的最新进展为需要复杂算法的电子鼻提供了新的机会。

虽然所有这些方法都具有理论优势，但在实践中，结果并不理想。基于呼吸的诊断，无论是针对2019冠状病毒疾病、癌症还是任何其他疾病，都意味着对数百或数千人进行测试，以确定挥发性有机化合物谱中几乎无限小的变化。

2021年，在该设备返回少量但令人担忧的假阴性后，荷兰政府放弃了对Breathomix’s SpiroNose的试验。

最近，美国食品和药物管理局（FDA）对InspectIR 2019冠状病毒疾病呼气分析仪的EUA表明，呼气测试正在获得更高的可靠性、灵敏度和选择性。

也许基于呼吸的探测器最大的挑战是在更大、更多样的人群中验证小型研究。人类呼吸固有的变异性是测试的致命弱点。同样的变异性使呼吸成为诊断信息丰富的来源，也意味着需要采取额外的步骤来检测健康和疾病之间的真正差异。

一个以色列团队开始测试从鼻孔而不是口腔呼出的空气。他们的工作发表在《PLoS ONE》上，结果表明，Airsense Analytics公司的PEN3-eNose使用十种不同的金属氧化物传感器检测通过鼻子呼出的化合物，可以可靠地检测通过鼻子呼出的空气中的SARS CoV-2感染。

开发可靠的呼气测试的持续挑战已导至其他人重新思考呼气测试在医学中的作用。有研究者认为呼气测试作为一种快速、廉价的癌症筛查有很大的潜力。如果研究人员能够识别出与癌症无关的呼吸特征，那么就可以用来减少更具侵袭性的癌症筛查，如结肠镜检查和计算机断层扫描。

这场大流行为呼气测试开发人员提供了一个新的机会，展示他们的产品。FDA对InspectIR 的EUA，对整个领域来说都是一个激动人心的时刻，因为每个人都看到了呼气测试快速诊断的前景。

在（遥远的）将来，呼气测试是否能够稳定可靠地在各个领域发挥作用，甚至代替血检，这个究竟是梦想还是真的可能实现？