利用气相色谱-离子迁移谱技术检测血清中挥发性有机化合物在肝细胞癌诊断中的应用

《Frontiers in Chemistry》：The detection of serum-volatile organic compounds in the diagnostics of hepatocellular carcinoma using gas chromatography–ion mobility spectrometry

肝细胞癌（HCC）早期诊断面临灵敏度不足和假阳性率高的问题。本研究采用气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）结合化学计量学分析血清中31种挥发性有机化合物（VOCs），发现HCC患者血清中n-Nonanal、(E)-2-Octenal等11种醛类和6种醇类显著低于健康对照组，而Tetrahydrofuran、Benzaldehyde等3种物质含量升高。通过PCA和PLS-DA模型验证，差异化合物VIP值>1，其中n-Nonanal差异最显著。GC-IMS技术因操作简便、成本低，有望成为HCC辅助诊断和群体筛查工具。

　　肝细胞癌（HCC）作为一种恶性肝肿瘤，是全球第三大癌症相关死亡原因，尤其在慢性肝病和肝硬化患者中更为常见。由于其早期阶段缺乏典型症状、肿瘤发展迅速、死亡率高，以及常用血清标志物甲胎蛋白（AFP）存在较高的假阳性率，HCC的早期诊断和有效监测仍然是临床面临的重要挑战。为应对这一问题，研究者们正在探索新的生物标志物，以提高诊断的准确性和便捷性。其中，挥发性有机化合物（VOCs）因其在多种生物样本中表现出的潜在诊断价值，成为近年来备受关注的研究方向。

VOCs是指在生物体体液或组织中能够挥发的有机化合物，它们在生理和病理状态下会随着代谢变化而发生改变。因此，VOCs可以作为系统性和局部性的生物标志物，提供关于个体健康状况的独特信息。近年来，多种技术被用于检测VOCs，包括气相色谱-质谱联用（GC-MS）、气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）、电子鼻以及经过训练的犬类嗅觉等。这些方法在不同样本中展现出一定的应用潜力，尤其是在非侵入性诊断和大规模筛查方面。

血清作为VOCs检测的重要样本来源，具有显著的优势。首先，血清样本易于采集，可以在任意时间、定期或全天候获取，这使得其在临床应用中具有较高的可操作性。其次，血清中的VOCs具有相对稳定的特性，不易受到外界因素的干扰，因此适合长期保存和重复检测。此外，血清检测不受近期药物使用或局部胃部病变的影响，能够反映患者整体的健康状态。这些特点使得血清成为一种理想的生物样本，尤其适用于癌症的早期筛查和诊断。

然而，其他生物样本如尿液、胆汁和呼出气体在检测VOCs时也存在局限性。尿液中的VOCs可能受到代谢异常、压力、酒精、吸烟、特定饮食、药物和环境因素的影响，从而影响检测结果的准确性。胆汁的采集通常需要侵入性操作，如手术或内窥镜检查，这不仅增加了患者的不适和风险，也限制了其在临床中的广泛应用。呼出气体检测虽然具有非侵入性优势，但其结果可能受到胃部溃疡出血、胃黏膜严重萎缩以及检测前药物使用等因素的影响，容易出现假阴性结果。因此，血清VOCs检测作为一种相对无创、广泛接受的检测方法，具有较高的实用价值。

本研究采用GC-IMS技术结合化学计量学方法，对HCC患者与非HCC患者的血清VOCs进行分析，以探索潜在的生物标志物。GC-IMS是一种结合了气相色谱的分离能力和离子迁移谱的高灵敏度检测技术，能够在不依赖复杂实验室环境的情况下，实现对VOCs的快速、准确检测。此外，该技术不需要繁琐的样品预处理步骤，简化了分析流程，提高了检测效率和可行性。

通过分析，研究人员在血清样本中检测到了31种VOCs，包括8种酮类、11种醛类、6种醇类、2种酯类和1种呋喃类化合物。这些VOCs在HCC患者和非HCC患者的血清中表现出显著的差异。例如，某些醛类和醇类化合物在HCC患者血清中的含量明显低于非HCC患者，而一些特定的化合物如四氢呋喃、苯甲醛和1-丁醇则在HCC患者中表现出较高的含量。这些差异为识别HCC相关的生物标志物提供了依据。

为了进一步验证这些差异，研究者使用了主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等化学计量学方法。PCA用于提取主要特征并降低数据维度，以更直观地展示不同样本之间的分类和聚类情况。PLS-DA则是一种监督性判别分析方法，能够更准确地区分HCC患者与非HCC患者。通过PLS-DA模型的建立，研究人员发现某些VOCs在模型中的变量重要性投影（VIP）值高于1，表明这些化合物在分类中起到了关键作用。VIP值是评估变量对模型贡献的重要指标，值越高，说明该变量在区分样本中的作用越显著。

此外，研究还进行了交叉验证，以确保模型的可靠性和泛化能力。通过200次排列测试，研究人员发现模型的R2和Q2值接近1，表明其具有较强的预测能力和稳定性。这一结果进一步支持了VOCs作为HCC生物标志物的可行性。

尽管本研究取得了初步成果，但样本量较小这一局限性仍然存在。未来需要在更大规模的临床样本中验证这些VOCs的诊断价值，以提高其在实际应用中的准确性和可靠性。同时，随着技术的进步和设备的优化，GC-IMS等方法有望进一步普及，成为HCC筛查和诊断的重要工具。

从临床角度来看，HCC的早期诊断对于提高患者生存率至关重要。目前，超声检查是常用的HCC筛查手段，但其灵敏度因医生经验而异，通常在40%至80%之间。此外，AFP作为传统的血清标志物，虽然在某些情况下具有一定的诊断价值，但其灵敏度较低，尤其在临床前预测中，灵敏度不足40%。相比之下，基于VOCs的检测方法具有更高的灵敏度和特异性，且操作简便、成本低廉，适合大规模筛查。

本研究的结果表明，血清VOCs检测具有广阔的应用前景。它不仅可以作为辅助诊断手段，还可以用于疾病的早期筛查。随着技术的发展，未来有望开发出基于VOCs的低成本、便携式设备，以实现更广泛的应用。此外，结合其他诊断方法，如影像学检查，可以进一步提高HCC的诊断准确率，为患者提供更全面的诊疗方案。

总之，本研究通过GC-IMS和化学计量学方法，揭示了HCC患者与非HCC患者血清中VOCs的显著差异。这些差异为HCC的早期诊断提供了新的思路和方向。尽管目前样本量有限，但研究结果为未来的大规模临床验证和设备开发奠定了基础。随着技术的不断进步和应用的深入，基于VOCs的检测方法有望成为HCC诊断的重要工具，为提高患者生存率和改善诊疗效果做出贡献。