月经周期中呼出气挥发性有机化合物的变化：一项基于PTR-TOF–MS的初步研究

《Reproductive Sciences》：Breath Volatile Organic Compounds Across the Menstrual Cycle: A Pilot Study Using PTR-TOF–MS

摘要专业翻译 背景：由于生殖激素存在显著的个体间及个体内差异，准确识别排卵仍具挑战性。呼出气中的挥发性有机化合物（VOCs）可能在月经周期中发生变化，并可为月经周期评估提供一种无创的补充方法。 方法：在这项初步研究中，研究人员采用质子转移反应飞行时间质谱（PTR-TOF–MS）技术，对5名健康女性在自然月经周期的卵泡期、排卵期和黄体期进行了呼出气VOCs的测量。研究人员比较了排卵期与非排卵期测量的VOC谱，并探讨了其与血清雌二醇（E2）、促黄体生成素（LH）和黄体酮（P）浓度的相关性。 结果：在排卵期与非排卵期测量之间，离子m/z 41.04存在显著差异（p?=?0.021）。与异戊二烯相关的信号在排卵期呈现升高趋势，但未达到统计学显著水平。 结论：呼出气VOCs在月经周期中呈现时相依赖性变化。排卵期观察到的m/z 41.04信号升高可能反映了与内分泌变化相关的整体代谢适应，而非循环激素浓度的直接替代指标。

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一、研究背景与研究目的

月经周期伴随着一系列协调的内分泌与代谢反应，包括基础体温、乳房体积、胰岛素敏感性以及呼气末CO₂浓度等的变化。准确识别排卵对于生育健康管理、自然避孕以及辅助生殖技术中的时机把握均具有重要意义。然而，目前常用的排卵预测方法，如日历计算法、基础体温监测和尿液试纸检测等，均存在明显局限。这些方法受制于激素峰值的短暂性、个体间差异大，且易受多种混杂因素干扰，导致预测准确性有限。

呼出气中的挥发性有机化合物（VOCs）能够反映机体系统性代谢状态，且可通过无创、实时的方式进行检测。既往研究提示，丙酮、异戊二烯及含硫化合物等呼出气VOC谱可能在月经周期及排卵前后发生变化，有望为排卵评估提供补充性的生理与代谢信息。然而，VOC的理化性质、采样条件以及受试者的饮食、用药、合并疾病和生活方式等因素均可能影响呼出气样本的VOC组成。此外，代谢标志物可能并不遵循生殖激素快速且具有时相特异性的分泌模式，而是对激素效应进行时间上的整合，从而提供生理状态的补充信息。迄今为止，仅有少数研究对自然月经周期中呼出气VOC谱的纵向变化进行了探讨，呼出气VOCs与生殖激素浓度之间的关系仍不明确。

基于上述背景，本研究旨在探讨采用PTR-TOF–MS测量的呼出气VOCs在排卵期与非排卵期测量之间是否存在差异，并探索其与血清雌二醇（E₂）、促黄体生成素（LH）和黄体酮（P）浓度的关联。

二、主要技术方法

本研究为一项初步研究（pilot study），招募了10名月经周期规律的女性受试者。最终纳入分析的受试者为5名健康、不吸烟、未使用激素类避孕药或其他药物、采样时处于空腹状态的女性。研究经机构伦理委员会批准（伦理编号：EK No. 1266/2018），所有受试者均签署书面知情同意书。

呼出气分析采用质子转移反应飞行时间质谱（PTR-TOF–MS，型号PTR-TOF 6000 X2；Ionicon Analytik GmbH，奥地利因斯布鲁克）完成。漂移管参数设置为温度80 °C、压力2.6 mbar、漂移电压561 V、电场强度E/N为120 Townsend，以4 mA空心阴极放电电流产生H?O?试剂离子，样品入口流速为35 mL·min?1。数据采集使用PTR-MS Viewer软件（版本3.4.3.12）。以丙酮产物离子C₃H₇O⁺（m/z 59.05）在呼气过程中的信号确定呼气末点。统计分析采用非参数检验方法，包括Mann–Whitney U检验和Kruskal Wallis检验评估VOC水平差异，Spearman秩相关分析评估呼出气VOCs与激素浓度的相关性，双侧p值<0.05视为具有统计学意义。

三、研究结果

受试者纳入情况：10名月经周期规律的女性中，2名因使用不同PTR-TOF–MS仪器进行呼出气测量而被排除，3名因发热和/或抗生素治疗可能显著改变呼出气VOC谱而被排除，最终5名受试者纳入最终分析。

呼出气VOC信号的时相依赖性差异：在卵泡期、排卵期和黄体期之间比较呼出气VOCs时，m/z 41.04信号（p?=?0.050）、m/z 67.05信号（p?=?0.099）和m/z 69.07信号（p?=?0.166）呈现时相依赖性差异的趋势。

排卵期与非排卵期比较：在排卵期与非排卵期测量之间，m/z 41.04信号在排卵期显著升高（p?=?0.021）。排卵期测量的m/z 41.04信号强度中位数（四分位距）为24,567（20,851–26,962），非排卵期测量为15,480（13,179–16,992）。相比之下，m/z 67.05（p?=?0.064）和m/z 69.07（p?=?0.064）未达到统计学显著水平。

与激素浓度的相关性分析：呼出气VOC信号与血清LH、E₂或P浓度之间未观察到显著相关性。但E₂与m/z 41.04信号（ρ?=?0.448, p?=?0.145）及m/z 67.05信号（ρ?=?0.497, p?=?0.101）之间观察到正相关趋势。

四、讨论与结论

讨论部分总结：本研究初步显示，呼出气VOC信号m/z 41.04在排卵期升高，而循环生殖激素浓度与VOC信号之间无显著相关性。在PTR-TOF–MS中，m/z 41.04和m/z 67.05为与脂质或异戊二烯相关代谢有关的烃类碎片离子，而非单一化合物。已知月经周期中脂质和脂蛋白水平及氧化应激等代谢参数会发生波动。排卵伴随类固醇生成增加、脂质转换改变和氧化代谢变化等深刻的内分泌与代谢改变。异戊二烯相关信号（m/z 67.05和m/z 69.07）在排卵期呈现升高趋势但未达显著水平，呼出异戊二烯产生于肌肉，其浓度随体力活动变化而快速改变，可能受采样期间轻微活动的影响。排卵期m/z 41.04的升高可能反映整体代谢适应而非直接的内分泌信号传导。本研究结果属于假设生成性质，需在更大规模的前瞻性研究中加以验证。

研究局限性：主要局限性包括样本量小和探索性设计。呼出气VOCs即使在标准化采样条件下仍易受环境和行为因素影响。在具有更高时间分辨率和独立验证队列的更大规模研究中，应考虑昼夜节律、外源性污染物和湿度等混杂变量。由于存在重复测量，混合效应模型或广义估计方程模型更为合适。本研究未实施正式的统计校正，因为对小型初步队列应用严格校正方法将大幅增加II型错误风险。选择偏倚的可能性无法排除。

研究结论：呼出气VOCs在月经周期中呈现时相依赖性变化。呼出气VOCs（如m/z 41.04）并非循环激素水平的直接替代指标，而是可能反映月经周期中与激素变化相关的整体代谢改变。