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结核病（TB）全球致死率高，现有诊断方法有创、耗时且易延误病情。研究人员分析人类呼吸样本中的挥发性有机化合物（VOCs），发现可区分活动性 TB、耐多药结核病（MDR-TB）与健康人的 VOCs，为开发无创诊断设备提供依据。
结核病，这个看似有些遥远却又近在咫尺的 “健康杀手”，一直以来都在全球范围内肆虐。每年约 1000 万新发病例和 140 万死亡病例，这样的数据令人触目惊心。在南部非洲等低收入地区，结核病的危害更是雪上加霜。它作为一种肺部疾病，杀伤力甚至超过了人类免疫缺陷病毒（HIV），在某些区域，也比 2019 冠状病毒病（COVID-19）更让人恐惧。而耐多药结核病（MDR-TB），作为结核病的 “升级版”，由于治疗手段有限、死亡率高，更是给全球公共卫生带来了巨大挑战。
目前常用的结核病诊断方法，如痰液培养和涂片显微镜检查，不仅需要患者提供痰液样本，可有些患者，像儿童和重症患者，很难提供。而且这些方法耗时长，往往要几周才能出结果，这就导致患者无法及时得到治疗，疾病在社区中传播的风险也大大增加。后来出现的 Xpert MTB/RIF 检测虽然解决了部分问题，但也存在费用高、检测试剂盒供应链不稳定等麻烦。因此，寻找一种快速、无创又准确的诊断方法迫在眉睫。
在这样的背景下，博茨瓦纳国际科技大学（Botswana International University of Science and Technology）和南非金山大学（University of the Witwatersrand）的研究人员开展了一项意义重大的研究。他们把目光投向了人类呼出的气体，试图从其中的挥发性有机化合物（VOCs）中找到诊断结核病的 “密码”。
研究人员通过分析 41 名参与者的呼吸样本，其中包括 12 名活动性肺结核患者、11 名耐多药肺结核患者和 18 名健康对照者。他们利用气相色谱 - 质谱联用技术（GC-MS），结合 OpenChrom 和 AMDIS 软件，对样本中的 VOCs 进行分析。研究结果令人振奋，他们发现了 8 种挥发性有机化合物可以区分活动性 TB、MDR-TB 和非 TB 受试者。其中，邻异丙基甲苯（o-cymene）是首次被发现与活动性 TB 相关的新型生物标志物，而 1 - 甲基 - 4 -（1 - 丙炔基）苯（Benzene 1-methyl 4-(1-propynyl)）则有望成为区分 TB 和 MDR-TB 的特异性 VOC。
这项研究成果意义非凡。它为开发高灵敏度、高选择性的针对活动性 TB 的气体传感器奠定了基础，未来有望开发出电子鼻（e-nose）设备。这种设备可以实现快速、无创的即时诊断，帮助医生更早发现结核病患者，及时采取治疗措施，有效控制疾病传播，为全球抗击结核病及其耐药菌株贡献重要力量。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员在开展研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先是样本采集，清晨在患者未进食或服药时，用 0.5 升 Tedlar 袋收集呼吸样本；接着使用固相微萃取（SPME）技术从样本中提取 VOCs；然后利用气相色谱 - 质谱联用仪（Agilent 7890B GC coupled with 5977A MSD）对 VOCs 进行分离和检测；最后通过主成分分析（PCA）对数据进行分类和分析。
研究结果
- 呼吸样本的色谱分析：对活动性 TB 患者和健康对照者的呼吸样本进行 GC-MS 分析，结果显示，TB 患者样本的色谱图中有一些独特的峰，而健康对照者样本中没有，这表明两组样本的 VOC 组成存在显著差异，意味着存在与活动性 TB 相关的 VOCs，这些 VOCs 有可能作为疾病检测的生物标志物。
- 主成分分析（PCA）：通过 PCA 分析发现，活动性 TB 患者、MDR-TB 患者和健康对照者的 VOCs 呈现出不同的聚类模式。活动性 TB 患者单独形成一个聚类，与健康对照者和 MDR-TB 患者明显区分开来；MDR-TB 患者也聚在一起，但与活动性 TB 患者有区别。不过，MDR-TB 患者与健康对照者存在部分重叠。主成分 1（PC1）和 2（PC2）解释了 90% 的数据方差，被选为分析的截止值。
- 潜在生物标志物的鉴定：研究共鉴定出 8 种挥发性有机化合物，它们是导致活动性 TB、MDR-TB 和健康对照者之间差异的重要因素。其中 7 种，如十三烷（tridecane）、癸烷（decane）等与活动性 TB 相关，而 1 - 甲基 - 4 -（1 - 丙炔基）苯则是 MDR-TB 的潜在指标。值得一提的是，邻异丙基甲苯是首次被发现与活动性 TB 相关的新型 VOC，在 25% 的普通 TB 患者队列和 27% 的 MDR-TB 患者队列中都能检测到。而且，这些 VOCs 在健康对照者中均未检测到。
研究结论和讨论
研究人员通过分析人类呼出气体中的 VOCs，成功找到了区分活动性 TB、MDR-TB 和非 TB 受试者的生物标志物。这不仅为结核病的无创诊断提供了新的方向，还加深了人们对结核病代谢机制的理解。例如，邻异丙基甲苯和 1 - 甲基 - 4 -（1 - 丙炔基）苯的结构相似，暗示在 MDR-TB 患者中，邻异丙基甲苯可能经过修饰形成了 1 - 甲基 - 4 -（1 - 丙炔基）苯，这与结核分枝杆菌产生耐药性时代谢途径的改变有关。不过，虽然 4 - 甲基辛烷在之前的研究中被认为与结核病相关，但在本次研究中发现它在慢性阻塞性肺疾病（COPD）、哮喘和肺癌患者中也存在，这表明诊断时不能仅依赖单一的 VOC，而要综合分析多种 VOC 的情况。此外，研究还发现十三烷在 MDR-TB 患者中的浓度最高，它有可能作为监测结核病进展的指标，但由于部分健康对照者中也存在十三烷，所以诊断时还是需要综合考虑多种因素。总之，这项研究为开发更有效的结核病诊断工具迈出了重要一步，有望改变结核病的诊断和治疗现状。
