《Metabolites》：Methodological Assessment of PDMS Passive Sampling for Skin VOC Collection Across Body Sites
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背景/目的：聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种非侵入性多功能材料，常用于采集皮肤释放的挥发性有机化合物（VOCs），在急症和重症前监护场景中具有潜在应用价值。然而，现有大多数基于PDMS的方法依赖复杂的样品准备和严格的环境控制，限制了其在时间敏感的临床情境中的可
背景/目的：聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种非侵入性多功能材料，常用于采集皮肤释放的挥发性有机化合物（VOCs），在急症和重症前监护场景中具有潜在应用价值。然而，现有大多数基于PDMS的方法依赖复杂的样品准备和严格的环境控制，限制了其在时间敏感的临床情境中的可行性。方法：研究人员在一项概念验证性试点病例系列研究中招募了四名健康志愿者，评估一种简化的皮肤接触PDMS采样程序能否捕获可检测的VOCs并保留个体水平变异。PDMS条带经最小化准备后直接贴敷于皮肤表面，采集到的VOCs采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行分析。供体相关变异性通过Bray-Curtis相异度进行评估，VOC检测的变异性在不同体表部位间进行了比较。结果：皮肤接触PDMS采样在四名参与者中共检测到160种VOCs。平均供体内Bray-Curtis相异度为0.308，而供体间平均相异度为0.347。不同体表部位的VOC检测变异性存在差异，额头、颈部和腕部的变异系数低于踝部。结论：在简化采样条件下，皮肤接触PDMS能够捕获与个体相关的VOC图谱，其供体内变异性低于供体间变异性。这些发现支持了PDMS基皮肤VOC采样在最低限度受控环境中的可行性。有必要在更大规模及临床相关队列中进行进一步验证，以评估PDMS采样的皮肤VOCs作为早期疾病检测潜在生物标志物的实用性。
研究背景与问题
挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是一类在室温下具有高挥发性和分子流动性的有机化学物质，可通过自然和人为过程排放，并与免疫激活和疾病风险相关联。人类通过呼吸和皮肤持续释放VOCs，反映内源性代谢、微生物活动和环境暴露。多种方法已被开发用于收集皮肤释放的VOCs，其中聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）因对非极性和半挥发性化合物具有高分配系数、低化学反应性和极少的内源性污染等优势而备受关注。然而，现有的大多数皮肤VOC研究依赖于严格的PDMS预处理方案和高度受控的环境条件，这虽然提高了VOC捕获的特异性，却限制了在急症和重症监护等时间敏感临床场景中的实际可行性。在这些环境中，复苏期间的生理变化可能为患者状态和预后提供有价值的信息，但常规采样方法往往不切实际。因此，研究人员提出了一种简化的PDMS皮肤接触采样程序，旨在实现无需严格环境控制的被动式、时间整合型化学信号采集，但其性能——特别是VOC的可检测性、个体变异性以及对环境和材料来源贡献的敏感性——尚未得到充分表征。
研究设计与结论
本概念验证性试点病例系列研究在四名健康成人志愿者中进行，评估了一种仅需最少皮肤准备的简化PDMS皮肤接触采样程序是否能捕获VOCs并保留个体水平变异。PDMS条带（3.0 mm × 15.0 mm）经热调理处理后直接贴敷于四个体表部位（额头、颈部、腕部和踝部），并以铝箔包裹固定。同时设置了衣物对照、室内环境对照和空白对照。参与者在大学校园户外步行50分钟以实现被动吸收。采样后的PDMS条带经热脱附-气相色谱-质谱联用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）分析。结果表明，皮肤接触PDMS采样共检测到160种推定注释的VOCs。供体内平均Bray-Curtis相异度为0.308，低于供体间的0.347，表明该方法具备捕获个体层面VOC图谱的潜力。不同体表部位的VOC检测一致性存在差异：额头的变异系数最低（CV=0.043），其次为颈部（CV=0.088）、腕部（CV=0.105），踝部最高（CV=0.615）。在灵敏度分析中，将特征限制为相似度和反向相似度评分均大于700的高置信度特征集（108种VOCs）后，主要描述性模式得以保持，其中腕部显示最低变异系数（CV=0.060）。这些发现初步证明，即使在简化采样条件下，PDMS皮肤接触采样也能捕获有意义的个体差异信号，支持其在最低限度受控环境中的可行性。
关键技术方法
本研究采用了以下主要技术方法：（1）PDMS膜条带（SSP-M823，FDA合规膜，购自Specialty Silicone Products, Inc.，纽约州纽约市，美国）经激光切割为3.0 mm × 15.0 mm规格，并在356°F下热调理60分钟以减少背景挥发性污染物；（2）在佐治亚州亚特兰大市的埃默里大学环境中进行现场采样，参与者在大学校园户外步行50分钟；（3）VOCs分析采用配备热脱附单元的Agilent 6890气相色谱系统与LECO Pegasus 4D飞行时间质谱仪联用，色谱分离在30 m Rxi-5柱（250 μm内径，0.25 μm膜厚）上进行，氦气流量1 mL/min，不分流进样，炉温从40°C以10°C/min升至250°C，质谱在电子电离模式（70 eV）下采集30–250 amu质量范围；（4）化合物鉴定使用CIRpy（版本1.0.2）映射至InChIKey标识符，并通过classyfireR R包进行化学超类、类和子类注释；（5）统计分析采用Bray-Curtis相异度度量进行β多样性评估，并通过主坐标分析可视化，变异系数用于描述体表部位间检测一致性。
研究结果
3.1 使用PDMS检测到的化合物
PDMS基皮肤VOC采样在四名健康成人供体中，经特征检测、对齐和质量控制过滤后，共保留160种推定注释的VOCs用于下游分析。
3.2 供体和体表部位变异性
皮肤接触PDMS采样检测到的160种推定注释VOCs被用于评估供体和体表部位特异性变异性。所有样本间的Bray-Curtis相异度通过主坐标分析进行可视化。平均供体内相异度为0.308，而供体间平均相异度为0.347。通过将化合物丰度矩阵二值化为可检测信号的有无，计算各体表部位的检测化合物比例，结果显示额头的变异系数最低（CV=0.043），其次为颈部（CV=0.088）、腕部（CV=0.105），踝部最高（CV=0.615）。
3.3 皮肤接触PDMS与对照PDMS样本之间的VOC重叠
皮肤接触PDMS检测到的VOCs中，94种也在衣物对照样本中被检测到，99种在室内环境对照样本中被检测到，29种在空白对照样本中被检测到。跨实验条件重叠的VOCs包括苯并噻唑类、醛类（如辛醛、壬醛、癸醛）和脂肪酸类（如正癸酸）。与Mitra等人整理的PDMS来源健康人相关VOCs汇编相比，有80种在该汇编中报告但在本研究的任何实验条件下均未检测到，包括醇类和多元醇类、短链至中链醛类以及短链至中链酮类。
3.4 灵敏度分析
将特征限制为光谱匹配评分均大于700的高置信度特征集（108种VOCs）后，重复上述分析。平均供体内Bray-Curtis相异度为0.277，供体间为0.304。体表部位变异系数重新评估显示腕部最低（CV=0.060），其次为额头（CV=0.078）、颈部（CV=0.109），踝部最高（CV=0.594）。皮肤接触PDMS与对照条件之间的实质性重叠在高置信度特征集中仍然保持，主要描述性模式在限制分析后得以保留。
讨论与结论
讨论部分总结
本研究在简化实用采样条件下评估了PDMS用于检测人源VOCs的可行性。尽管准备过程简化，观察到的供体特异性信号——反映为显著低于供体间的供体内变异性——支持PDMS采样捕获有意义个体差异的能力。体表部位与VOC检测变异性相关：额头变异性最低，但化妆品等实际问题可能限制其常规使用；腕部可能是临床应用中的可行替代选择。跨实验条件比较表明，皮肤接触PDMS捕获的是受皮肤相关化学和环境微环境共同影响的复合VOC信号。苯并噻唑类在所有实验条件下的检出提示非生物来源对皮肤VOCs的贡献。与已有汇编的比较显示，本研究未检测到多种挥发性较强的化合物，而独特检测到的长链醛和脂肪醇则提示简化被动采样方式可能优先捕获皮肤界面上挥发性较低、易于累积的代谢产物。未来在急症或重症前监护场景中，个体变异性和环境异质性将是预期且难以控制的。与其依赖基于排除或减法的对照衍生VOCs过滤，未来研究可探索基于计算的算法来区分生理信号与环境贡献。本研究存在若干局限性：样本量小，未纳入人口统计学和临床特征分析；体表部位变异性的描述性估计应谨慎解读；环境混杂在更复杂的环境中可能更为显著；一名参与者因美容原因缺失颈部和额头样本可能影响体表部位变异性的估算。
研究结论翻译
在这项试点病例系列研究中，研究人员在仅进行皮肤清洁的准备条件下，使用平行设置的衣物、室内环境和空白对照，定量分析了皮肤接触PDMS捕获的VOCs。从皮肤接触PDMS获得的VOC图谱表现出个体内变异性低于个体间变异性，提供了初步证据支持在更大规模研究中探究个体层面VOC模式的必要性。皮肤、衣物、室内环境和空白对照之间VOCs的实质性重叠凸显了在真实世界环境中考虑VOC转移和积累复杂性的重要性。在未来应用或急症护理情境中，与其严格排除重叠化合物，不如探索能够考虑皮肤来源VOCs与环境或操作因素之间在短期和长期暴露时间尺度上的动态相互作用的计算框架。
