呼出的气体如何成为我们身体健康的晴雨表
呼出的气体如何成为我们身体健康的晴雨表
呼出的气体中隐藏着我们身体健康的秘密。近年来，科学家们发现，通过分析呼出气体中的挥发性有机化合物（VOCs），可以监测人体健康状况和疾病发展。这种无创、便捷的检测方式，正在为医疗诊断带来革命性的变化。
多年来，我们通过研究器官、组织、细胞类型以及它们之间的相互关系来建立起对疾病机制的理解。通过研究这些功能元素，以及它们之间的协同作用方式，能够帮助我们认识生命维持的基本原理，以及在疾病发生时它们为什么会导致身体崩溃。
另一方面，我们现在已经知道，人体是各种微生物物种（如细菌、真菌和古菌）的栖居之地，它们与我们的身体之间存在着复杂的交互关系，并共同组成了人体的微生物组。也因此，我们开始意识到我们对疾病过程的理解是不完整的。现在，科学家们正在研究微生物与身体组织之间的相互作用，并且已经获得了部分关于微生物组对人体健康作用的重要见解。
微生物组的组成在不同宿主之间，以及同一宿主的不同受菌组织之间均有所不同，而且现有的证据表明，它们在我们的一生中会持续发生变化。
胃肠道是微生物富集的部位之一，拥有丰富的微生物生态系统。肠道微生物组中包含可以通过厌氧发酵消化我们饮食中大部分纤维物质的物种，而人体本身则缺乏能够分解这些物质的酶，因此正常的肠道微生物对人体健康是有益的。相反，如果肠道微生物组失衡，我们的健康就可能会受到影响。
例如，如果上消化道中含有异常的微生物群落（通常包括结肠中的细菌），或者含有过多的细菌，就会导致小肠细菌过度生长（SIBO）的情况，SIBO会进一步导致包括腹胀、腹泻和营养吸收不良等症状。
微生物组与多种疾病的病理生理学相关，具体的示例包括非酒精性脂肪性肝炎和心脏代谢疾病。微生物组还被证明能通过直接（抗原性）和间接（代谢物分泌导致的免疫调节）的机制影响肿瘤的发生和发展。
药物的药代动力学也可能会受到微生物组，尤其是肠道微生物组的影响。例如，迟缓埃格特菌（Eggerthella lenta）能够将心脏药物地高辛代谢为无活性的代谢产物二氢地高辛，这些过程会使个体对药物干预产生的反应变得更为复杂。
微生物组与个性化医疗的相关性在肠道微生物群对免疫系统的调节方面也得到了体现，现有研究表明，肠道微生物群能够影响免疫检验点抑制剂（一类肿瘤治疗药物）的作用效果。
从微生物来源的VOC到呼吸检测
微生物组与疾病机制之间存在着紧密的联系，破解个体微生物群的活动提供了发现新型生物标志物的机会。通过独特的代谢途径，微生物可以生成各种挥发性代谢产物，即VOCs（volatile organic compounds）。
大量已发表的研究已经将微生物代谢产物与疾病以及它们在体内的生物起源（即对应的微生物物种）联系起来。由于许多代谢产物具有挥发性，研究呼出气体的组成（可能包含有关微生物活动的信息分子标志物）成为研究微生物组及其与健康和疾病间关联的一种有前景的方法。
呼吸过程产生的气体中含有数千种VOCs，它们可以从全身的各个部位产生，通过循环系统传播，最终穿越肺泡膜从肺部释放。例如，肠道微生物组可能产生氢气和甲烷，这些气体已经被用于HMBT（hydrogen and methane breath test）以诊断细菌过度生长（SIBO）和碳水化合物吸收不良（包括乳糖和葡萄糖不耐症等）等疾病。
呼出气体中氢气和甲烷浓度升高可以作为SIBO的生物标志物
此外，与微生物组相关的许多其它疾病也可能会改变呼出气体中的VOC浓度，总之，呼吸样本采集有望成为一种检测和研究各种微生物标志物的重要平台。
呼吸测试的优势
微生物组调控人体健康和疾病的机制与微生物产生的代谢产物相关。传统方法常通过粪便、血液和尿液样本来分析这些代谢产物。然而，使用呼出气体进行分析有望成为一种更先进的方法。
呼吸中生物标志物的来源
呼吸检测有许多好处：呼吸样本来源广泛；样本可以进行预浓缩；呼吸样本的采集过程具有无侵入性。尤其是无侵入性这一点，对于患者、临床医生和临床科学家都很有吸引力。
许多疾病，特别是胃肠道疾病，是通过侵入性生物检查进行诊断和监测的，例如通过内窥镜或外科手术进行的检查，这对很多患者来说都不是什么令人愉快的经历。所有侵入性的检测都伴随着感染或对周围组织产生损害的风险，而呼吸采集完全是无侵入的，因而消除了相关的风险。
另一方面，侵入性测试通常也更加昂贵，相比起来，呼吸采样的成本极低。此外，呼吸样本还可以进行定期短时间间隔采集，而且可以一次收集大量样本。这些特点加起来就可以实现对一系列代谢途径的长期监测。考虑到呼吸采样的易操作性，患者甚至无需前往诊所进行检测，如果开发出可携带式设备，他们就可以在任何地方进行采集。
（来源于Owlstone Medical官网）
这些优势对于临床试验非常重要，基于这些，呼吸分析几乎可以提供关于参与者相应代谢途径的实时信息。呼出气体中的化合物有可能作为药代动力学/药效学、安全性或有效性的标志物。几乎实时的信息也可以帮助临床实验的管理者调整计划，从而降低成本。这种高采集频率的信息是传统侵入性方法很难实现的，因为它们价格更贵，更难重复采样，也更容易在进行伦理批准时遇到麻烦。
呼吸测试的未来
微生物组对我们的健康到底能产生多少影响？
随着我们对人体微生物组的了解不断加深，已经有越来越多的呼吸生物标志物被发现。它们的组成和特征揭示了我们的健康状态以及疾病发生的进展。作为呼吸检测研究的基础，VOCs与微生物代谢间联系的理解也正在逐渐完善，许多基础性的机制研究已经通过使用粪便、血液和尿液代谢组学完成。