高压空气暴露及减压期间吸氧对呼出气挥发性有机化合物的影响

《Frontiers in Physiology》：Effects of hyperbaric air exposure with oxygen breathing during decompression on the exhaled volatile organic compounds

　　

摘要
背景：本研究旨在探讨暴露于高压空气的潜水员呼出气挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）的变化。
方法：共17名成年潜水员接受了两次30 m（400 kPa）高压空气暴露，两次之间间隔一周。第一次暴露时，潜水员仅以高压空气进行减压；第二次暴露时，潜水员在减压至18 m时呼吸100%氧气30 min。在暴露前、减压开始时及暴露结束后测量呼出气中VOCs的组成与浓度。
结果：结果表明，在空气减压期间，若干烯烃和烷烃（如1-庚烯和正庚烷）在高压暴露后升高。相比之下，在氧气减压期间，烷烃（如2,2-二甲基丁烷）及含氧化合物（如丙酮和异丙醇）降低。二甲基硫在两种条件下均降低。与减压前即刻相比，两种条件下暴露后丙烯醛和异戊二烯均显著升高；在空气减压期间，包括正庚烷、2-丁酮和1-庚烯在内的若干烷烃、酮类和烯烃显著降低；在氧气减压组中，高压暴露后二甲基硫显著升高，二硫化碳呈上升趋势。与空气减压组相比，氧气减压组中过氧化相关烯烃和烷烃的倍数变化显著更高，二硫化碳的倍数变化亦呈增加趋势。
结论：减压期间吸氧似乎延迟或改变了某些呼出烷烃、酮类和烯烃的清除，同时促进了含硫化合物的生成。

高压空气暴露与减压吸氧对呼出气挥发性有机化合物影响的研究解读

**研究背景与目的**
高压暴露期间，潜水员呼吸的气体具有显著高于常压条件的氧分压（partial pressure of oxygen, PO₂），而在潜水或高压治疗减压过程中，于较浅深度吸入高PO₂气体甚至纯氧，可缩短减压时间并降低减压病（decompression sickness, DCS）发生风险。然而，氧具有氧化特性，暴露于升高的PO₂可导致体内氧化-抗氧化失衡，诱发氧化应激并产生不良生理效应。肺作为环境界面的首道防线，易受高氧的不利影响，因此寻求无创手段监测高压暴露期间及之后的高氧性肺损伤一直是潜水医学研究的重点。肺组织损伤往往伴随呼出气体成分的改变，呼出气分析具有操作简便、无创、适合动态监测等优势，已被越来越多地应用于疾病尤其是肺部疾病的临床诊断与评估。研究表明，高氧暴露可使线粒体电子传递链产生活性氧（reactive oxygen species, ROS）增加，当ROS超过内源性抗氧化系统清除能力时，可攻击细胞膜中的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids, PUFAs），引发脂质过氧化（lipid peroxidation, LPO），其代谢产物如短链烷烃、特定醛类和酮类等属于挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs），可经血气屏障弥散并经呼出气排出。已有研究显示高压高氧可诱导肺泡膜发生LPO及炎症反应，而特定VOC的改变可在临床症状出现或传统肺功能检测（pulmonary function test, PFT）参数下降之前被检出。目前虽有研究整合多个气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS）数据集构建了包含29种高压高氧特异性VOCs的“VAPOR谱”，但针对高压暴露过程中呼出气样本的VOC动态分析仍较少，减压期间吸氧是否影响VOC谱亦未见报道。为此，研究人员开展本研究，旨在探讨30 m高压空气暴露后潜水员呼出气VOCs的变化，并比较减压期间呼吸空气与呼吸纯氧对VOC谱的影响，以寻找可用于评估高压空气暴露及减压吸氧对肺影响的无创生物标志物。

**研究方法概述**
研究人员于2025年10月招募了17名男性潜水员，均符合中华人民共和国国家职业潜水员医学标准（GB 20827-2025）。受试者在干燥高压舱内接受两次间隔一周的30 m（400 kPa）高压空气暴露，第一次以空气减压，第二次在减压至18 m时通过面罩呼吸100%氧气30 min。在暴露前（Pre）、减压开始前即刻（Mid）和出舱后（Post）使用1 L Tedlar^?气体采样袋收集肺泡段呼出气，同时采集环境空气和舱内空气本底，扣除背景浓度后，采用热脱附-气相色谱-质谱联用系统对VOCs进行富集、分离与鉴定，经NIST谱库比对确定化合物结构。统计学分析采用Friedman检验进行三时间点整体比较，Wilcoxon符号秩检验进行事后两两比较，并以秩双列相关系数（rank-biserial correlation, r_rb）评估效应量，采用Benjamini-Hochberg方法控制错误发现率（false discovery rate, FDR）。

**研究结果**

*3.1 一般信息*
17名男性潜水员完成全部实验，平均年龄（25.0 ± 2.2）岁，平均身高（172.7 ± 5.3）cm，平均体重（70.5 ± 7.0）kg，平均体质指数（body mass index, BMI）为（23.6 ± 2.4）kg/m²。经数据预处理和NIST谱库比对，初步筛出27种常见环境空气污染物和内源性挥发性代谢物，剔除普遍存在的大气污染物及舱体来源污染物后，最终纳入14种含量变化显著的化合物进行分析。

*3.2 纯空气减压高压暴露后呼出气VOCs的变化*
在空气减压组中，Friedman检验显示8种呼出气VOC浓度在三个时间点间存在显著变化，包括1,2-戊二烯、1-庚烯、1-戊烯/（E/Z）-2-戊烯、2-丁酮、二硫化碳、异戊二烯、正庚烷和甲基环己烷。与暴露前（Pre）相比，减压开始前（Mid）时1-庚烯、二硫化碳和正庚烷显著升高，而异戊二烯和甲基环己烷显著降低。与Pre相比，暴露结束后（Post）1,2-戊二烯和异戊二烯显著升高，甲基环己烷显著降低。与Mid相比，Post时1-戊烯/（E/Z）-2-戊烯和异戊二烯显著升高，而1-庚烯、2-丁酮、二硫化碳和正庚烷显著降低。二甲基硫在整体检验中未达显著（P=0.066），但事后比较显示其从Pre到Mid呈下降趋势，从Mid到Post显著升高。

*3.3 吸氧减压期间呼出气VOCs的变化*
在吸氧减压组中，Friedman检验显示7种VOC浓度存在显著时间变化，包括1-戊烯/（E/Z）-2-戊烯、丙烯醛、丙酮、二甲基硫、二硫化碳、（E/Z）-2-丁烯和异戊二烯。与Pre相比，Mid时丙酮、二甲基硫和异戊二烯显著降低。与Pre相比，Post时（E/Z）-2-丁烯显著升高。与Mid相比，Post时丙烯醛、二甲基硫和异戊二烯显著升高。2,2-二甲基丁烷和乙酸甲酯的整体检验未达显著，但探索性分析显示2,2-二甲基丁烷从Pre到Mid呈潜在降低，乙酸甲酯从Pre到Post呈潜在降低。

*3.4 吸氧减压与空气减压VOC变化比较*
以（Post?Mid）/Mid计算两种减压条件下各VOC的相对变化并进行配对比较，结果显示1-庚烯、二硫化碳、1-戊烯/（E/Z）-2-戊烯、正庚烷和丙烯醛的组间差异在未校正P值水平具有名义显著性，且效应量点估计值较大（r_rb = 0.626–0.758），但经FDR校正后差异不再显著。2-丁酮的相对变化在空气减压条件下为?52.56%，吸氧减压条件下为?16.11%，效应量估计值较大但未达统计学显著。

**讨论与结论**
研究人员认为，加压至400 kPa后、减压开始前即可观察到多种烷烃、烯烃、含氧化合物和含硫化合物的改变，提示高压空气暴露可诱导早期代谢反应。空气减压条件下，1-庚烯和正庚烷从Pre到Mid分别升高约43.94%和30.47%，二硫化碳升高约60.26%，这些直链烷烃和中等链长烯烃可能是多不饱和脂肪酸氧化断裂的产物，反映轻度的早期脂质过氧化。吸氧减压条件下，丙酮、二甲基硫和异戊二烯在Mid时显著下降，但这些变化发生在吸氧之前，应视为加压后的早期代谢反应及个体内变异。两种减压条件下，丙烯醛和异戊二烯从Mid到Post均显著升高，其中丙烯醛在吸氧减压组的中位相对变化达462.60%，远高于空气减压组的57.65%；丙烯醛可由多不饱和脂肪酸脂质过氧化产物裂解及多胺氧化分解产生，能消耗细胞内抗氧化剂并诱导蛋白质羰基化和线粒体功能障碍，提示减压期间呼吸280 kPa纯氧可能增加ROS生成并促进丙烯醛形成。异戊二烯的变化模式在两种条件下相似，可能主要反映循环灌注和代谢对高压暴露及减压的反应，而非吸氧特异性氧化应激效应。含硫化合物方面，二硫化碳在空气减压条件下从Mid到Post降低29.48%，而吸氧减压条件下升高51.14%，可能与高压高氧改变胃肠道、口腔和呼吸道黏膜表面厌氧微生物的氧环境，进而影响含硫氨基酸的降解和发酵有关。研究存在样本量较小（n=17）、仅采集出舱后即刻样本、部分化合物在Tedlar^?袋中稳定性有限等局限，且FDR校正后组间差异未保持显著，结果需在更大样本的随机研究中验证。总之，本研究证实加压至400 kPa及后续减压可诱导呼出气VOC谱的动态变化，减压期间吸氧可能改变部分VOC在减压后的动态变化过程；呼出气VOC分析作为无创手段，可用于表征潜水员高压暴露及减压应激的早期生理反应，并可能为个体氧敏感性评估和早期高氧应激监测提供客观指标。论文发表在《Frontiers in Physiology》。