《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Respiratory omics for early detection of COPD-to-lung cancer transition: mechanisms, biomarkers and clinical translation
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慢性阻塞性肺疾病（COPD）显著增加肺癌风险，然而在影像学异常显现之前能够识别恶性转变的生物标志物仍然缺乏。呼吸组学通过分析呼出气挥发性有机化合物（VOCs）和呼出气冷凝液（EBC），已成为监测疾病进展过程中动态分子改变的一种有前景的非侵入性方法。本综述总结了
慢性阻塞性肺疾病（COPD）显著增加肺癌风险，然而在影像学异常显现之前能够识别恶性转变的生物标志物仍然缺乏。呼吸组学通过分析呼出气挥发性有机化合物（VOCs）和呼出气冷凝液（EBC），已成为监测疾病进展过程中动态分子改变的一种有前景的非侵入性方法。本综述总结了与COPD向肺癌转变相关的呼吸生物标志物的现有证据，重点阐述其动态演变背后的生物学机制及其在早期检测和风险分层中的潜在应用。研究人员并未将COPD和肺癌视为独立的疾病，而是讨论了呼吸生物标志物在整个疾病连续体中的变化，并强调其在识别高危个体方面的转化价值。最后，研究人员概述了限制临床实施的主要挑战，包括生物标志物标准化和前瞻性验证，并讨论了涉及多组学整合、人工智能和精准监测的未来方向。呼吸组学有望推进非侵入性风险评估，并促进COPD相关肺癌的早期干预。
1 引言
1.1 背景与临床挑战
慢性阻塞性肺疾病（COPD）在吸烟效应之外显著增加肺癌发生风险。COPD与肺癌并非完全独立的疾病，而是被视为由慢性炎症、氧化损伤、免疫功能障碍和代谢改变驱动的同一连续病理过程的不同阶段。这一演变的生物学连续体凸显了识别能够反映恶性进展早期分子改变之生物标志物的必要性。当前肺癌筛查主要依赖低剂量计算机断层扫描（LDCT），该技术能有效检测已形成的结构异常，但对肿瘤形成之前的生物学改变，尤其是在COPD患者中，提供的洞察有限。这一局限性促使人们日益关注能够动态反映疾病演变并改善COPD相关肺癌早期风险评估的非侵入性生物标志物。
1.2 呼吸组学的兴起
呼吸组学已成为监测COPD向肺癌生物学演变的一种有前景的策略。通过整合呼出气挥发性有机化合物（VOCs）的代谢特征与呼出气冷凝液（EBC）获得的分子信息，呼吸组学能够非侵入性评估肺微环境内的动态改变。与传统影像学相比，呼吸组学有可能在明显的结构改变出现之前检测到分子异常，为高危人群的早期风险分层和纵向监测提供新机会。本叙述性综述总结了COPD向肺癌转变过程中呼吸组学的现有证据，重点关注呼出生物标志物的动态演变、其潜在生物学机制及临床转化的挑战。然而，现有证据仍具异质性。大多数呼吸生物标志物已在COPD或已确诊肺癌患者中分别研究，而直接证明其在恶性进展过程中动态变化的纵向证据仍然有限。因此，除非有纵向临床证据支持，本综述中这些生物标志物主要被解读为COPD向肺癌转变的候选或间接标志物。
1.3 文献检索策略
研究人员使用PubMed、Web of Science和Scopus进行文献检索，以识别与呼吸生物标志物及COPD向肺癌进展相关的研究。检索词包括“COPD”、“lung cancer”、“malignant transformation”、“exhaled breath”、“volatile organic compounds”、“VOCs”、“exhaled breath condensate”、“EBC”、“respiratory omics”和“biomarkers”等组合。优先考虑2020年至2026年间发表的同行评审研究，以反映呼吸组学、分析技术和生物标志物发现的最新进展。当早期研究提供生物标志物发现、分析方法或生物学机制方面的基础证据时，亦予以纳入。由于本文为叙述性综述，研究选择基于其与COPD、肺癌、呼吸生物标志物及恶性进展潜在机制的相关性。
1.4 COPD向肺癌转变的病理生理基础
COPD和肺癌现被广泛认为是沿着共同致病轨迹演变的相互关联的疾病，而非完全独立的疾病。包括吸烟、空气污染和职业暴露在内的共同环境暴露，引发一系列涉及慢性炎症、氧化应激、异常组织修复、代谢重编程和肺微生态失调的生物学事件，这些均促进恶性进展。慢性炎症激活为这一转变奠定了生物学基础。持续暴露于吸入性毒性颗粒促进中性粒细胞、巨噬细胞和CD8+ T细胞在气道内积聚，导致TNF-α、IL-6和IL-8持续产生。除维持气道损伤外，这些细胞因子激活致癌信号通路，尤其是NF-κB和STAT3，从而支持上皮增殖和免疫逃逸。肺微生态的改变通过TLR4/MyD88/NF-κB信号进一步强化这一炎症状态，形成利于肿瘤发展的微环境。氧化应激与炎症在整个疾病演变中并行作用。活性氧和活性氮（ROS/RNS）的过量产生促进DNA损伤、蛋白质氧化、脂质过氧化和基因组不稳定。同时，Nrf2/Keap1抗氧化通路的破坏削弱了细胞对氧化损伤的防御能力，使持续性氧化损伤得以累积并促进恶性转化。持续的炎症和氧化损伤随后触发DNA损伤反应和细胞衰老程序，包括p53/p21和p16/Rb通路的激活。衰老细胞获得衰老相关分泌表型（SASP），以持续释放细胞因子、生长因子和基质重塑酶为特征，这些因子延续炎症并重塑周围组织微环境。在恶性进展过程中，慢性组织损伤逐渐转向表型和代谢重塑。持续性炎症信号诱导上皮-间质转化（EMT），使上皮细胞获得迁移和侵袭特性。同时，持续缺氧稳定HIF-1α并与EMT相关通路协同重塑肿瘤微环境。KRAS和MYC等癌基因的并发激活以及TP53功能的缺失，进一步将细胞代谢转向增强的糖酵解、脂质合成和氨基酸利用，最终支持肿瘤生长和恶性演变。
2 呼出气生物标志物
2.1 COPD患者呼出气中的特征性生物标志物
2.1.1 VOCs
氧化应激是COPD中挥发性有机化合物（VOCs）改变的主要驱动因素。ROS/RNS的持续累积诱导膜多不饱和脂肪酸的脂质过氧化，产生特征性烷烃如乙烷和戊烷，以及包括乙醛、己醛和庚醛在内的挥发性醛类。这些代谢物反映持续的氧化损伤，被认为是COPD的代表性呼吸生物标志物。除氧化应激外，慢性缺氧和代谢适应也导致VOC谱改变。增强的糖酵解活性和脂肪酸β-氧化增加酮体（尤其是丙酮）的产生，可在呼出气中检测到。含硫VOCs，包括二甲基硫醚（DMS）和甲硫醇，也常被检测到，被认为反映肺微生态失调和持续性细菌定植。COPD相关VOCs主要反映氧化应激、代谢适应和微生态失调，为COPD向肺癌转变过程中呼吸生物标志物的动态演变提供了生物学基础。
2.1.2 EBC
与VOCs相比，呼出气冷凝液（EBC）更直接地反映气道微环境内的炎症和分子改变。COPD患者中持续观察到包括IL-6、IL-8、TNF-α和白三烯B4（LTB4）在内的炎症介质水平升高，并与疾病严重程度相关。氧化应激生物标志物，尤其是过氧化氢（H2O2）、8-异前列腺素和丙二醛（MDA）也升高，反映持续的氧化损伤和脂质过氧化。此外，游离细胞DNA（cfDNA）、线粒体DNA（mtDNA）和基质金属蛋白酶（尤其是MMP-9和MMP-12）浓度增加，表明COPD中存在持续的细胞损伤和细胞外基质重塑。血管内皮生长因子（VEGF）等血管生成相关因子亦与缺氧诱导的血管重塑和疾病进展相关。总体而言，这些EBC生物标志物表征了COPD的炎症和氧化微环境，为监测后续恶性转化提供了分子基础。
2.2 肺癌患者呼出气中的特征性生物标志物
2.2.1 VOCs
与COPD相比，肺癌的VOC谱更突出地反映与恶性进展相关的代谢重编程。增强的脂质过氧化和膜重塑促进长链醛（包括己醛、庚醛、壬醛、癸醛和2-戊烯醛）水平升高，这些被认为是肿瘤相关氧化应激的特征性代谢物。肺癌还以深刻的代谢改变为特征。增强的糖酵解促进挥发性酮类和醇类（如丙酮、2-丁酮、乙醇和正丙醇）的累积，而甲羟戊酸通路的激活促进异戊二烯产生增加，反映加速的胆固醇生物合成和细胞增殖。此外，细胞色素P450活性的改变影响苯、甲苯、对二甲苯和苯乙烯等芳香烃的代谢，进一步构成肺癌的特征性VOC特征。肺癌相关VOCs反映肿瘤相关的代谢重编程，为识别COPD向肺癌转变过程中的动态生物标志物变化提供了重要参考。
2.2.2 EBC
呼出气冷凝液（EBC）可直接获取与肺癌相关的分子改变。研究最广泛的生物标志物是核酸，尤其是致癌性微小RNA。miR-21、miR-155以及包含miR-4507、miR-6777–5p和miR-451a的诊断性miRNA组合的表达升高，已显示出早期肺癌检测的潜力。长链非编码RNA（lncRNAs）因其在肿瘤进展和上皮-间质转化中的作用，也成为候选生物标志物。肿瘤来源的核酸，尤其是循环肿瘤DNA（ctDNA），也可在EBC中检测到。高灵敏度检测已成功识别EGFR、KRAS、ALK和TP53等主要驱动基因的突变，凸显了EBC作为非侵入性液体活检平台的潜力。除核酸外，H2O2和MDA等氧化应激标志物在肺癌患者中仍保持升高，而癌胚抗原（CEA）等蛋白生物标志物已显示出快速呼吸生物标志物检测的潜力。总体而言，这些EBC生物标志物反映肿瘤生物学的多个方面，为监测COPD向肺癌转变提供了分子基础。
3 转变的潜在分子生物标志物及其机制研究
3.1 VOCs的转变特征
基于现有横断面和机制证据，VOC谱在COPD向肺癌转变过程中可能发生进行性转变，其特征是从主要由氧化应激驱动转向由多种代谢重编程过程驱动。COPD阶段的VOCs主要反映慢性炎症和持续性氧化损伤，以脂质过氧化相关产物为主；然而，随着恶性转化的发生，肺癌阶段逐渐表现出多种代谢特征，包括脂质代谢重组、增强的糖酵解、异常氨基酸代谢和微环境改变，形成更复杂的呼吸代谢指纹。因此，VOC谱的动态变化不仅反映肺组织从慢性损伤状态向恶性增殖状态的转变，也为识别COPD向肺癌进展过程中的关键分子事件和潜在预警生物标志物提供了生物学基础。
3.1.1 脂质代谢重编程
COPD患者长期处于慢性缺氧和持续性炎症状态，这一独特微环境被认为是驱动肺组织恶性转化的关键病理基础。缺氧促进HIF-1α的稳定表达，进而激活环氧合酶-2（COX-2）及其下游前列腺素E2（PGE2）信号通路。PGE2不仅促进细胞增殖和血管生成，还诱导肿瘤相关巨噬细胞向M2表型极化，从而形成利于恶性转化的免疫抑制微环境。持续缺氧和炎症微环境导致ROS持续累积，不仅促进PGE2介导的促癌微环境形成，还作为脂质过氧化的关键上游驱动因素。脂质过氧化是连接COPD慢性损伤与肺癌发展的关键分子事件。在持续ROS攻击下，富含ω-6多不饱和脂肪酸的膜结构特别容易发生过氧化反应。随着肺癌发展，肿瘤细胞持续合成新细胞膜以满足快速增殖需求，导致花生四烯酸等ω-6多不饱和脂肪酸水平进一步升高，从而增强脂质过氧化的底物池。研究表明，ω-6多不饱和脂肪酸通过自由基介导的链式反应，可产生包括MDA和4-羟基壬烯醛（4-HNE）在内的反应性脂质过氧化合物，并进一步裂解形成己醛、壬醛、癸醛和2-戊烯醛等挥发性醛类。这些醛类不仅扩散进入呼出气，还与DNA和蛋白质形成加合物，促进基因突变和异常细胞信号传导。在此过程中，Nrf2/Keap1抗氧化防御系统发挥关键调控作用。Nrf2可诱导醛脱氢酶（ALDH）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽（GSH）合成相关基因的表达，从而清除脂质过氧化产物并维持氧化还原稳态。然而，在长期氧化应激和肿瘤进展过程中，Nrf2/Keap1通路的失衡可导致醛清除能力下降，使己醛、壬醛和癸醛等终产物在肺组织中持续累积并释放入呼出气。新出现的证据表明，GPX4活性丧失及随后铁死亡相关脂质过氧化的增强，促进氧化膜磷脂的累积，最终导致包括4-HNE和MDA在内的反应性醛产生增加。除长链醛外，乙烷和戊烷等短链烷烃也是脂质过氧化的重要挥发性产物；其水平在COPD阶段已升高，并随氧化损伤持续而进一步增加。相比之下，己醛、壬醛和癸醛等长链醛更能反映肿瘤细胞膜的脂质重塑和异常增殖，因此被认为是区分单纯COPD与向肺癌转变阶段的重要候选生物标志物。此外，异戊二烯水平升高可能反映甲羟戊酸通路的激活和细胞膜生物合成的增强，与肿瘤进展密切相关。总之，缺氧诱导的脂质过氧化贯穿COPD向肺癌转变的全过程，由此驱动的VOC谱逐渐从以乙烷和戊烷为代表的氧化损伤标志物，转向以己醛、壬醛和癸醛等长链醛为代表的肿瘤相关代谢物。
3.1.2 糖酵解代谢重编程
糖酵解代谢重编程是COPD恶性转化为肺癌最具代表性的代谢事件之一，其本质表现为细胞能量获取从缺氧适应性糖酵解逐渐演变为肿瘤细胞特征性的持续性瓦伯格（Warburg）代谢。COPD阶段，长期气流受限和肺泡结构破坏导致局部慢性缺氧。HIF-1α持续稳定表达，通过转录激活GLUT1、HK2、PFK和LDHA等关键酶，促进葡萄糖摄取并增强糖酵解。此阶段糖酵解的上调主要构成适应性代偿机制，旨在维持细胞在缺氧环境中的能量供应和存活。随着炎症持续，乳酸大量累积并诱导局部酸化，进一步促进炎症细胞募集、血管生成和免疫调节，为后续恶性转化提供代谢基础。当肺组织向癌前状态及后续恶性转化进展时，糖酵解增强日益独立于HIF-1α介导的缺氧反应。持续性炎症和氧化应激促进NF-κB、STAT3和PI3K/Akt/mTOR等致癌信号网络的激活。这些分子事件促进KRAS和MYC失调以及TP53功能受损，最终驱动向瓦伯格样糖酵解表型的持续代谢重编程。TP53功能缺失解除其对糖酵解的抑制，同时降低TIGAR介导的代谢约束，使葡萄糖代谢通量持续偏向糖酵解和磷酸戊糖途径。即使在氧气供应充足的条件下，肿瘤细胞仍优先通过糖酵解产生能量，表现出典型的瓦伯格效应。同时，磷酸戊糖途径被激活，产生大量核糖-5-磷酸和NADPH，作为蛋白质、脂质和核酸合成的原料，促进肿瘤细胞快速生长。糖酵解通量增加及其下游代谢重编程可能进一步影响呼出气中VOC的组成。肺癌患者呼出气中丙酮、2-丁酮、乙醇和正丙醇等酮类和醇类水平显著升高。这些代谢物一方面与糖酵解增强后丙酮酸代谢的改变相关，另一方面与脂肪酸氧化、酮体代谢和氧化还原失衡密切相关。此外，高糖酵解条件下产生的大量NADPH不仅支持细胞生物合成需求，还促进脂质代谢重组和脂质过氧化，从而间接增加戊烷、己烷和3-甲基戊烷等挥发性烷烃的产生。COPD和肺癌均以糖酵解增强和相关VOC水平升高为特征，但两者在严重程度和代谢驱动因素上存在显著差异。COPD阶段主要以HIF-1α介导的可逆性代偿反应为特征，而肺癌阶段涉及由遗传和表观遗传改变驱动的持续性代谢重编程。因此，丙酮、2-丁酮和乙醇等酮类和醇类的动态变化，结合脂质过氧化相关VOCs，可能作为反映COPD向肺癌恶性转化的重要代谢信号，为基于呼出气的预警模型开发提供潜在生物标志物。
3.1.3 氨基酸代谢重编程
氨基酸代谢重编程在塑造肿瘤微环境、调节免疫应答和维持氧化还原稳态中发挥关键作用，其代谢物可通过呼出气VOCs反映肺组织从慢性炎症向恶性演变的进程。COPD阶段，持续性慢性炎症和氧化应激可导致肺免疫微环境逐渐失衡。长期炎症刺激诱导巨噬细胞、树突状细胞等免疫细胞表达吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO1），从而促进色氨酸-犬尿氨酸（Trp-Kyn）代谢通路的激活。随着疾病进展和癌前微环境的形成，IDO1和色氨酸2,3-双加氧酶（TDO）的表达进一步增加，导致大量色氨酸被分解为犬尿氨酸（Kyn）。一方面，色氨酸耗竭限制效应T细胞的增殖；另一方面，犬尿氨酸作为芳香烃受体（AhR）配体，促进调节性Tregs分化并抑制CD8+ T细胞功能，从而形成免疫抑制性肿瘤微环境。这表明Trp-Kyn-AhR轴的持续激活是将慢性炎症与肺癌免疫逃逸联系起来的关键机制之一。异常色氨酸代谢还可扰乱芳香族氨基酸代谢网络。在持续氧化应激条件下，四氢生物蝶呤（BH4）的氧化失活增加，可影响苯丙氨酸羟化酶（PAH）活性，从而限制苯丙氨酸向酪氨酸的转化。芳香族氨基酸代谢失衡不仅影响神经递质和细胞信号分子的合成，还可能促进苯乙醛等芳香族挥发性有机化合物（VOCs）的形成。近年多项呼出气组学研究发现，肺癌患者中苯乙醛等芳香族VOC水平显著升高，提示其可能反映肿瘤相关的氨基酸代谢异常。除芳香族氨基酸外，含硫氨基酸的代谢重编程也贯穿COPD向肺癌的全程。COPD阶段，为应对持续性氧化损伤，机体通过激活转硫途径增加胱氨酸产生，以维持谷胱甘肽（GSH）合成和抗氧化能力。在此过程中，胱硫醚β-合酶（CBS）和胱硫醚γ-裂解酶（CSE）表达上调，促进同型半胱氨酸向半胱氨酸的转化。随着肿瘤发展，癌细胞对甲硫氨酸和谷胱甘肽的需求进一步增加；含硫氨基酸代谢保持高度活跃，导致甲硫醇、二甲基硫醚（DMS）和硫化氢（H2S）等挥发性含硫化合物产生。这些含硫代谢物不仅可能反映氧化还原状态的变化，还参与线粒体代谢、血管生成和肿瘤细胞增殖的调控。因此，从COPD阶段以抗氧化补偿为主要特征的转硫途径激活，到肺癌阶段以免疫逃逸和适应性肿瘤生长为特征的氨基酸代谢重编程，Trp-Kyn-AhR轴、芳香族氨基酸代谢异常和含硫氨基酸代谢重塑共同驱动了特征性VOC谱的形成。其中，苯乙醛、甲硫醇和二甲基硫醚等挥发性代谢物有望成为反映COPD向肺癌恶性转化的重要呼出气生物标志物。
3.2 EBC中的代谢特征
VOCs主要反映肺代谢终产物的变化，而呼出气冷凝液（EBC）能更直接地反映气道微环境中的炎症反应、氧化损伤、血管重塑和异常基因表达，因此被认为是研究COPD向肺癌恶性转化的重要非侵入性诊断工具。随着疾病进展，EBC中的分子生物标志物呈现动态变化，逐渐从慢性炎症和氧化应激转向增强的血管生成、基因组不稳定性和肿瘤相关信号通路的激活。例如，8-异前列腺素、4-HNE和MDA等氧化应激和脂质过氧化相关产物在COPD和肺癌患者中均异常升高，提示持续性氧化损伤可能参与恶性转化过程。同时，VEGF和Ang-2等血管生成相关因子的异常表达反映肺微环境从慢性损伤状态向促进肿瘤血管生成状态的转变。此外，多种miRNA和其他核酸分子可在EBC中可靠检测；其中一些肺癌相关miRNA已显示出良好的诊断价值，提示其有望作为追踪COPD恶性转化风险的生物标志物。
3.2.1 炎症、氧化应激和组织损伤相关标志物
长期暴露于香烟烟雾和其他吸入性颗粒物维持气道上皮细胞和肺泡巨噬细胞内NF-κB和AP-1等炎症通路的活性。这些信号网络的持续激活促进IL-6、IL-8和TNF-α等细胞因子的持续产生，从而建立有利于疾病进展的促炎性肺微环境。同时，基质金属蛋白酶-9（MMP-9）与其组织抑制剂（TIMP-1）表达的失衡导致细胞外基质的持续降解和异常修复；其比值的变化被认为是肺组织重塑和癌前微环境形成的关键分子标志。除炎症因子外，EBC中氧化损伤标志物的变化也可反映疾病从慢性损伤向恶性转化的进展。长期炎症刺激和ROS过度累积可诱导脂质过氧化，产生8-异前列腺素、4-HNE和MDA等稳定产物。在EBC中已识别的氧化应激指标中，8-异前列腺素被广泛认为是体内脂质过氧化和氧化还原失衡的可靠标志物。相比之下，4-羟基壬烯醛（4-HNE）和丙二醛（MDA）不仅是膜脂氧化的终产物，还是能够影响细胞增殖、凋亡和细胞内氧化还原调控的生物活性介质，从而促进肿瘤发展。实验证据进一步表明，4-HNE可通过氧化修饰Kelch样ECH相关蛋白1（Keap1）内的关键半胱氨酸残基来调节核因子E2相关因子2（Nrf2）抗氧化通路，促进应激或转化细胞在持续氧化条件下的适应性存活。铁死亡是一种由过度脂质过氧化驱动的铁依赖性调节性细胞死亡形式，近期已成为COPD发病和肺癌发生的重要机制。与铁死亡相关的脂质过氧化过程可能进一步促进4-HNE和MDA等氧化产物的累积，并与肺组织的持续性损伤和恶性转化密切相关。此外，研究发现氧化性DNA损伤标志物8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）水平在COPD患者最终确诊肺癌前数年即持续升高，提示氧化损伤的累积可能先于临床恶性肿瘤的发生。然而，炎症和氧化应激生物标志物的临床特异性仍然有限。IL-6、IL-8、TNF-α、H2O2、8-异前列腺素和MDA等标志物主要反映炎症或氧化活性而非恶性转化本身。COPD急性加重期间，气道炎症和氧化应激的加剧可能进一步升高这些生物标志物的水平，可能混淆其作为恶性进展指标的解读。因此，在临床稳定后重复测量可能有助于区分加重相关变化与持续性异常。此外，将这些标志物与更具肿瘤相关性的信号（如特征性VOC谱、血管生成相关因子或肿瘤来源核酸）相结合，可能提高对肺癌风险增加的COPD患者的识别能力。
3.2.2 血管生成和微环境重塑相关标志物
COPD中慢性气流受限和肺组织结构性损伤导致持续性局部缺氧，促进HIF-1α稳定表达并激活多种下游血管生成相关基因，其中VEGF是最重要的效应分子之一。研究表明，COPD患者EBC中VEGF水平升高，在肺癌患者中进一步增加；这些浓度变化与增强的血管生成活性和肺癌风险增加密切相关。VEGF促进内皮细胞增殖、迁移和新血管形成，同时增加血管通透性，从而改善增殖肿瘤细胞的氧气和营养供应并促进转移播散。除VEGF外，血管生成素-2（Ang-2）和可溶性血管内皮生长因子受体-1（sVEGFR-1）等与血管重塑相关的因子也被认为参与COPD向肺癌的转变。通过调节血管稳定性、内皮细胞功能和局部炎症反应，这些分子共同促进肺组织从慢性损伤修复状态向促肿瘤血管生成微环境的转变。血管生成并非孤立事件，而与炎症反应、氧化应激和细胞外基质重塑密切相关。VEGF相关信号可进一步促进基质金属蛋白酶（MMPs）的表达，增强细胞外基质降解和组织重塑，从而为肿瘤细胞侵袭和转移创造有利条件。因此，VEGF、Ang-2和sVEGFR-1等血管生成相关因子不仅反映肺缺氧和血管重塑程度，还可能作为评估COPD患者肺癌转化风险的重要候选EBC生物标志物。
3.2.3 核酸和表观遗传标志物
核酸生物标志物可直接反映基因组不稳定性和表观遗传调控异常，被认为是COPD向肺癌恶性转化中最有前景的EBC生物标志物之一。除与炎症和氧化应激相关的分子外，多种核酸成分可稳定存在于EBC中，包括cfDNA、ctDNA、miRNAs和lncRNAs。随着肺组织持续受损和异常细胞增殖，cfDNA和ctDNA的释放逐渐增加。COPD患者长期处于慢性炎症和氧化应激状态；持续性细胞损伤、凋亡和坏死可导致cfDNA释放增加。cfDNA水平与炎症程度、肺功能下降和疾病严重程度密切相关。随着恶性转化的发生，部分源自异常增殖细胞的cfDNA逐渐携带肿瘤相关遗传改变，并进一步演变为可检测的ctDNA。已有研究在EBC中成功检测到携带EGFR、KRAS和TP53等驱动基因突变信息的ctDNA，检测结果与组织活检高度一致，提示EBC有望成为肺癌早期非侵入性液体活检的重要载体。miRNAs已成为EBC中研究最深入的核酸生物标志物类别之一。一项涉及21例肺癌患者和21例健康个体的研究，通过全基因组miRNA谱分析结合机器学习算法，确定了由miR-4507、miR-6777–5p和miR-451a组成的三miRNA特征，该特征在肺癌检测中显示出有前景的判别性能。miR-21–5p是一种特征明确的致癌miRNA，在多种恶性肿瘤中频繁上调，并通过促进EMT、抑制凋亡、增强细胞侵袭和转移潜能参与肺肿瘤进展。除EBC研究外，一些COPD患者的长期随访研究发现，miR-206和miR-1246等循环miRNA在肺癌发生前即表现出异常表达，提示其可能具有肺癌早期预警标志物的价值。除miRNAs外，lncRNAs已成为COPD和肺癌中慢性气道炎症、组织重塑和肿瘤进展的重要调控因子。NEAT1、TUG1、MALAT1、HOTAIR和GAS5等lncRNAs的异常表达已在肺组织中得到证实，被认为影响炎症信号传导、细胞增殖、凋亡和EMT等多种生物学过程。其中，MALAT1和HOTAIR与肿瘤侵袭和转移播散密切相关，而NEAT1和TUG1被认为在COPD进展和恶性转化过程中参与维持慢性炎症反应和调节肿瘤支持性微环境。
4 呼出气生物标志物检测技术进展与临床转化
4.1 呼吸生物标志物检测的分析技术
呼吸生物标志物的可靠性在很大程度上取决于用于其检测的分析平台。对于VOC分析，气相色谱-质谱联用（GC–MS）仍是最广泛使用的参考技术之一，因为它能够分离和分子鉴定单个挥发性化合物。其他分析平台，包括气相色谱-离子迁移谱（GC–IMS）、质子转移反应质谱（PTR–MS）和选择离子流动管质谱（SIFT–MS），提供更快或实时的VOC谱分析，可能有助于临床呼出气分析。然而，采样程序、化合物鉴定、仪器灵敏度和数据预处理方面的差异可产生显著的跨研究变异性，使跨队列VOC特征的直接比较面临挑战。对于EBC生物标志物，分析方法因分子类别而异。炎症细胞因子和血管生成因子通常使用免疫测定进行定量，而氧化应激相关代谢物可使用分光光度法、色谱法或基于质谱的方法进行测量。核酸生物标志物，包括miRNAs和肿瘤相关DNA改变，日益依赖qRT-PCR、数字PCR、测序和其他高灵敏度分子平台。尽管这些方法已大幅扩展可检测的EBC生物标志物范围，但EBC中分析物浓度低且多变仍是重要的分析挑战。冷凝物收集、稀释、储存、归一化和测定灵敏度方面的差异可能进一步导致跨研究结果不一致。
4.2 传感器技术和AI驱动的呼吸组学分析
基于传感器的平台为呼吸生物标志物分析提供了更快速的替代方案。碳纳米管、石墨烯和金属有机框架（MOFs）等纳米材料可增强低丰度VOCs的检测，也已被探索用于EBC的分子分析。电子鼻（e-nose）系统不识别单个化合物，而是捕获对VOC混合物的集体传感器响应，生成疾病相关的呼吸指纹。机器学习可进一步从这些复杂信号中提取信息模式。更重要的是，计算模型提供了将呼吸VOCs与EBC来源分子和临床信息相结合的机会，这可能比依赖单一生物标志物更有助于COPD的风险分层。然而，若干技术和方法论限制目前制约了这些应用。电子鼻信号可能随传感器漂移、湿度、环境VOCs、校准和采样程序而变化。对于基于AI的分析，相对较小的队列与大量测量特征相比增加了过拟合的可能性，这可能解释了模型性能在独立人群中并非总能维持的原因。患者相关因素，包括吸烟、饮食、药物、感染和合并症，进一步增加了呼吸谱的变异性。分析平台和数据处理方面的差异也使研究间的比较变得困难。因此，在将这些方法可靠地纳入COPD监测之前，需要标准化采样和分析程序以及前瞻性多中心验证。
5 结论
COPD和肺癌可被视为沿共同致病连续体相互关联的疾病；持续性慢性炎症、氧化应激、异常组织修复、代谢重编程和肺微生态失衡等病理过程共同驱动肺组织从慢性损伤向恶性转化进展。作为呼吸组学的关键组成部分，呼出气分析可在代谢、炎症和分子水平动态反映肺微环境的变化，为识别COPD恶性转化的早期生物学事件提供了新的研究视角。多种VOCs和EBC生物标志物已显示出与COPD向肺癌进展相关生物学过程的潜在关联。例如，与脂质过氧化相关的醛类、与糖酵解和氨基酸代谢异常相关的VOCs，以及EBC中的炎症介质、氧化损伤产物、血管生成因子和核酸分子，可能作为连接COPD和肺癌的候选转化生物标志物。这些生物标志物不仅反映疾病连续体不同阶段的生物学特征，还为肺癌高危人群的早期识别和动态监测提供了潜在基础。未来研究应着重建立纵向随访队列，特别关注COPD向肺癌进展过程中生物标志物的动态变化，并推动呼出气VOCs、EBC分子生物标志物、影像学和临床特征的多组学整合分析。同时，通过结合电子鼻、纳米生物传感器和AI辅助风险预测模型，应建立适用于COPD高危人群的精准预警系统，为呼吸系统肿瘤的精准防控提供新策略和新方向。
