全球超過一千億美元的IVD體外診斷市長/市場，未來新的增長點(diǎn)在哪里？呼氣診斷將是其中之一。

近十年來，全球呼氣檢測技術(shù)迎來極大飛躍，呼氣診斷新藍(lán)海隱隱浮現(xiàn)。

我們的呼氣看似是無形的，但其實(shí)每一口呼出的氣都包含著反映身體各器官生理/病理狀態(tài)的生物標(biāo)志物（Biomarker），這些Biomarker可以作為疾病診斷和健康監(jiān)測的依據(jù)。

來自身體各個部位器官代謝產(chǎn)生的Biomarker會隨著血液循環(huán)到達(dá)肺泡，并通過呼氣排出體外。這個過程讓我們呼出的氣體中不僅包含氧氣、氮?dú)狻⒍趸己退魵膺@些廣為人知的成分，還含有多達(dá)100~200種微量存在、反映身體各器官生理狀態(tài)的生物信號分子——揮發(fā)性有機(jī)物（volatile organic compound，VOC）。

VOC代謝物的來源與路徑

2017年，以色列、美國、法國、中國和拉脫維亞等5國科學(xué)家聯(lián)合研究，通過對來自9個臨床中心的813名患者和591名健康對照進(jìn)行呼氣VOC分析，該項(xiàng)呼氣VOC檢測可以一次性快速準(zhǔn)確地診斷與分型17種疾病，其中包括肺癌、胃癌、結(jié)直腸癌、卵巢癌、前列腺癌、膀胱癌、頭頸癌、腎癌等在內(nèi)的8種癌癥。[1]

5國科學(xué)家通過分析呼氣VOC診斷17種疾病

僅僅通過呼氣，就可以同時進(jìn)行多種癌癥檢測？這或許聽起來不可思議，但其實(shí)并非不可能。隨著技術(shù)突破和臨床應(yīng)用推廣，呼氣檢測在癌癥、感染性疾病、重癥醫(yī)學(xué)疾病、慢病等領(lǐng)域，有望成為如同影像診斷、血檢診斷常見應(yīng)用的新型IVD輔助診斷方式。

現(xiàn)有的IVD診斷方法很難在精準(zhǔn)性、可及性和低成本實(shí)現(xiàn)三角平衡。而呼氣檢測以其無創(chuàng)性、使用便捷性使患者依從度較高。若通過技術(shù)創(chuàng)新使檢測儀器在保證精確度的前提下，實(shí)現(xiàn)小型化和成本的有效控制，便能平衡呼氣檢測在大范圍臨床應(yīng)用上所需的精準(zhǔn)性、可及性和低成本。這不僅能改變現(xiàn)有的診斷產(chǎn)業(yè)，也將改變整個醫(yī)療和健康體系的診斷治療生態(tài)。

在過去的幾年，呼氣這一全新的疾病診斷載體得到了迅猛發(fā)展。動脈網(wǎng)（微信號：vcbeat）從呼氣疾病診斷的歷史、發(fā)展和全球產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀對這一新藍(lán)海進(jìn)行了行業(yè)梳理。

諾貝爾獎得主發(fā)現(xiàn)呼氣VOC

諾貝爾獎得主美國化學(xué)家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）與檢測呼氣VOC的氣相色譜儀

早在1970年代，兩次諾貝爾獎得主美國化學(xué)家Linus Pauling（1954年獲得諾貝爾化學(xué)獎；1962年獲得諾貝爾和平獎）就用氣相色譜儀（Gas Chromatography，GC）檢測到人類呼氣中的200多種揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）。這些VOC來自于全身各個器官的新陳代謝，可作為評估身體健康和疾病的生物標(biāo)志物。呼氣檢測的相關(guān)研究經(jīng)過50年的發(fā)展，呼氣VOC與疾病的的相關(guān)性變得越來越清晰且明確，Oxford Academic 的 《Human Breathomics Database》收錄了來自至少2000篇研究文獻(xiàn)，確定了近60種疾病和呼氣中VOC疾病信號分子的關(guān)聯(lián)，這些相關(guān)性涉及數(shù)十萬臨床樣本的支持。[2]

呼氣VOC研究論文發(fā)表與呼氣檢測臨床試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)（來源：Breath Biopsy: The Complete Guide）

在病理過程中，細(xì)胞代謝的改變會導(dǎo)致生化反應(yīng)產(chǎn)物VOC的變化。與癌癥相關(guān)的病理機(jī)制包括缺氧、細(xì)胞過度增殖、過度炎癥和活性氧活躍等，都會導(dǎo)致局部和系統(tǒng)性的VOC種類和濃度發(fā)生明顯變化。生物學(xué)家已提出了幾種潛在的生化途徑機(jī)制。例如，在缺氧和/或炎性疾病中，癌癥微環(huán)境中的氧化應(yīng)激促使烷烴和甲基化烷烴形成。癌癥患者中細(xì)胞色素P450酶的過度活化可能會提高酒精水平。局部缺氧引起的過度細(xì)胞增殖導(dǎo)致無氧呼吸，其中產(chǎn)生能量的糖酵解途徑釋放出酮和醇。

這里需要明確的是呼氣VOC檢測和常見的呼氣檢測有所不同。

常見的呼氣檢測在臨床上已有廣泛的應(yīng)用，根據(jù)弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan）咨詢公司的數(shù)據(jù)，2018年我國的呼氣檢測市場規(guī)模約為19億人民幣，2020年預(yù)計(jì)增長到30億元。整個呼氣檢測市場90%都是由檢測幽門螺旋桿菌的尿素呼氣檢測構(gòu)成。除了幽門螺旋桿菌檢測外，臨床中已有的呼氣檢測項(xiàng)目還包括醉酒檢測、CO檢測新生兒黃疸、NO檢測哮喘等多種呼氣檢測。這些呼氣檢測對于大眾來說并不陌生，技術(shù)也較成熟。

呼氣VOC檢測和這些已有的呼氣檢測的根本區(qū)別在于前者檢測的是有機(jī)物而非無機(jī)物分子。

呼氣檢測的生物標(biāo)志物可以分為兩類：一類是呼氣中的無機(jī)物分子，比如NH3、H2S，還有NO、CO、H2/CH4。無機(jī)物分子主要來自菌類，例如13C和14C主要用于檢測幽門螺旋桿菌，H2/CH4 用于檢測腸道菌群紊亂。

而VOC檢測則專注于有機(jī)物分子。呼氣中的VOC含量稀少，是全身各個器官組織新陳代謝產(chǎn)物的重要組成部分，包括碳?xì)浠衔铮ǚ枷阕搴椭咀澹⒑跤袡C(jī)物（醛、醇、酚、羧酸、醚和呋喃）等。

解碼呼氣VOC精準(zhǔn)診斷疾病和健康

呼氣VOC能夠診斷哪些疾病？微量的VOC分子如何與特定的疾病實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)？

在確認(rèn)呼氣VOC與特定疾病的關(guān)系上，需要大量嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐R床試驗(yàn)，通過VOC分析儀器采集病人與健康人的呼氣圖譜進(jìn)行對比，找到重復(fù)且有差異的VOC分子組合作為疾病生物標(biāo)志物進(jìn)行疾病判斷。

在這一方法基礎(chǔ)之上，形成了呼氣代謝組學(xué)（breath metabolomics）的概念。通過對由上百種呼氣VOC分子組成的圖譜進(jìn)行信號模式識別，可同時診斷十幾種甚至更多種疾??；通過醫(yī)療大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以進(jìn)一步提高診斷的精準(zhǔn)性并擴(kuò)大適應(yīng)癥。

呼氣VOC疾病關(guān)聯(lián)圖譜

在疾病研究中，對于某些疾病與呼氣VOC信號分子的關(guān)聯(lián)已經(jīng)有了大量明確且清晰的證據(jù)。目前，呼氣VOC可以用于診斷的疾病包括：癌癥，例如肺癌、結(jié)直腸癌、胃癌等，感染性疾病，慢性疾病，例如阿茲海默癥、糖尿病等。

呼氣代謝組學(xué)經(jīng)過近50年的積累，除了越來越多的科研跟進(jìn)，近年來世界頂尖的專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，如美國的Mayo Clinic、克利夫蘭醫(yī)院以及頭部的儀器公司，包括Thermo Fisher、Markes International，還有多家新興的科技公司都在快速跟進(jìn)呼氣檢測的臨床應(yīng)用推廣。呼氣代謝組學(xué)的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品將在不遠(yuǎn)的將來進(jìn)入市場。

高分辨率的小型化技術(shù)或可是破局之關(guān)鍵

呼氣VOC能被發(fā)現(xiàn)診斷疾病，離不開高精密度的色譜和質(zhì)譜分析技術(shù)。這些技術(shù)對儀器本身以及數(shù)據(jù)分析都有著極高的要求，技術(shù)的突破是產(chǎn)業(yè)化和市場化的關(guān)鍵點(diǎn)。

大型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀器與質(zhì)譜設(shè)備

呼氣中VOC的含量通常非常稀少，低至百萬分之一（ppm~10-6）甚至十億分之一（ppb~10-9）的水平，需要應(yīng)用特殊的樣本前處理技術(shù)及靈敏度極高的儀器對其進(jìn)行檢測。

目前，已有VOC檢測設(shè)備主要包括氣相色譜儀 （gas chromatography, GC）、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（gas chromatography/mass spectrometry，GC-MS）、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀（proton transfer reaction mass-mass spectrometry，PTR-MS）及電子鼻傳感器等。

在這幾種檢測儀器中，科研最常用的是高靈敏氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析系統(tǒng)（GC–MS）。GC–MS分析系統(tǒng)，可以有效地離線收集、分離和鑒定人呼氣中大多數(shù)VOC，如脂族化合物、醇、醛、酮、胺及鹵代化合物，也足夠靈敏地去量化ppb水平的VOC。但GC-MS耗時、昂貴、操作困難等是廣泛臨床應(yīng)用的巨大阻力。

現(xiàn)有的大型分析設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)呼氣檢測的大規(guī)模臨床應(yīng)用。

以氣相色譜和質(zhì)譜技術(shù)為例，現(xiàn)有的大型氣相色譜儀器并不是針對臨床呼氣分析設(shè)計(jì)的，所以，中央實(shí)驗(yàn)室的氣相色譜儀器在呼氣收集和進(jìn)樣系統(tǒng)上存在不足。另外，目前呼氣VOC檢測的質(zhì)譜技術(shù)對于分析條件的要求十分苛刻：質(zhì)譜分析都需要在超真空的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)分子的離子化，而性能優(yōu)的真空泵體積龐大，限制了質(zhì)譜儀器的小型化；而有的質(zhì)譜儀器小型化后，真空度達(dá)不到要求，很多離子和其他氣體分子碰撞后會湮滅，造成信息丟失，因此分辨率、靈敏度達(dá)不到呼氣分析的要求。

全球領(lǐng)先的呼氣VOC檢測研發(fā)團(tuán)隊(duì)幾乎都在嘗試將呼氣檢測分析設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化。只有實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，才能實(shí)現(xiàn)呼氣檢測應(yīng)用場景的擴(kuò)大。

麻省理工學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程教授Sangeeta Bhatia在Nature Nanotechnology雜志中提出：“呼氣檢測以其簡易與無創(chuàng)的特點(diǎn)成為非常實(shí)用的疾病診斷手段 。一些超高靈敏度的微型氣體分析技術(shù)使得即時檢測（ POCT ）成為可能?！盵3]

因此高靈敏度、高分辨率的微型氣體分析儀器的出現(xiàn)會大大加速呼氣代謝組學(xué)的發(fā)展。

高靈敏、高分辨率的小型化技術(shù)成為了呼吸檢測破局之關(guān)鍵。呼吸檢測的大規(guī)模臨床推廣需要呼氣分析儀器在樣本收集、樣本分析和數(shù)據(jù)分析三方面穩(wěn)定可靠，而高靈敏、高分辨率的微型氣體分析儀器便于在臨床場景中即時收集呼氣樣本，并且精準(zhǔn)地分析呼氣VOC信號圖譜，為呼氣代謝組學(xué)提供可靠穩(wěn)定的保障。與此同時，人工智能AI技術(shù)的加入會讓呼氣VOC分析甚至是行業(yè)發(fā)展如虎添翼。通過最先進(jìn)的AI技術(shù)，將呼氣代謝組學(xué)結(jié)合大數(shù)據(jù)、算法和算力，形成動態(tài)且精準(zhǔn)的診斷結(jié)果。由此，便能為呼吸檢測臨床推廣和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展在重復(fù)性、一致性和穩(wěn)定性等方面提供保證。這樣的融合一旦成為現(xiàn)實(shí)，無論是對醫(yī)護(hù)人員還是廣大患者來說，都是一大福音。

呼吸代謝組學(xué)的另一個關(guān)鍵還包括疾病VOC標(biāo)志物的確定以及病理相關(guān)機(jī)制的探索。可喜的是，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界正在一起聯(lián)合推進(jìn)相關(guān)進(jìn)展。工業(yè)界負(fù)責(zé)尋找呼氣疾病信號分子和疾病的關(guān)聯(lián)性，確認(rèn)Biomarker；學(xué)術(shù)界去幫助確定這些呼氣VOC信號分子產(chǎn)生的代謝途徑和機(jī)理。

誰將引領(lǐng)呼氣檢測的藍(lán)海市場？

存在極高技術(shù)壁壘的呼氣代謝組學(xué)分析，如今正走出頂尖科研院所，通過產(chǎn)業(yè)化和市場化面向大眾。動脈網(wǎng)梳理了全球最具代表性的呼氣代謝組學(xué)公司：

>>>>國外企業(yè)領(lǐng)跑

1. 英國的Owlstone Medical成立于2016年，核心FAIMS質(zhì)譜技術(shù)來源于英國劍橋大學(xué)，專注于癌癥、炎癥疾病和傳染性疾病的非侵入式呼氣診斷。這家公司曾獲得李嘉誠名下私募投資基金Horizons Ventures領(lǐng)投的5000萬美元投資，總?cè)谫Y超過了8400萬美元。

Owlstone有兩大產(chǎn)品：一是ReCIVA呼氣收集器（完成呼氣樣本收集后送至中央實(shí)驗(yàn)室利用GC-MS儀器分析）；二是基于FAIMS質(zhì)譜技術(shù)的小型化呼氣VOC分析設(shè)備。

目前，Owlstone和美國、英國多所大學(xué)與醫(yī)院正在開展臨床合作。在商業(yè)化進(jìn)程上，Owlstone推出了多種癌癥篩查與診斷的產(chǎn)品和服務(wù)；同時也推出了呼吸系統(tǒng)疾病的研究體系，它可以區(qū)分不同類型的慢性呼吸炎癥疾病，包括哮喘、慢性阻塞性肺疾?。–OPD）和特發(fā)性肺纖維化。

2. 以色列的NanoScent公司，成立于2017年，核心技術(shù)來源于以色列理工學(xué)院，它主要利用納米陣列電子鼻傳感器和人工智能技術(shù)進(jìn)行氣味識別。NanoScent的氣味識別技術(shù)應(yīng)用于環(huán)保、消費(fèi)、醫(yī)療等多個領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域，NanoScent正在開發(fā)呼氣診斷疾病的POCT產(chǎn)品。目前NanoScent已完成2000萬美元的A輪融資。

>>>>國內(nèi)多家企業(yè)爭先布局

在傳統(tǒng)的基于無機(jī)物分子的呼氣檢測市場中，幽門螺旋桿菌檢測主要由北京華亙和深圳海得威兩家企業(yè)主導(dǎo)；無錫尚沃布局包括NO、H2/CH4、CO檢測等處于培育期的呼氣檢測市場。

國內(nèi)布局呼氣VOC檢測的的企業(yè)有步銳科技，步銳科技利用中科院大連物理化學(xué)研究所的SPI-TOF質(zhì)譜技術(shù)檢測與疾病相關(guān)的呼氣生物標(biāo)志物，關(guān)注疾病的篩查和診斷。

在技術(shù)門檻更高的呼氣代謝組學(xué)分析診斷領(lǐng)域中，精智未來（ChromX Health）憑借其高靈敏、高分辨率的小型氣體分析儀器結(jié)合人工智能算法，實(shí)現(xiàn)呼氣VOC組學(xué)的精準(zhǔn)分析，關(guān)注精準(zhǔn)的癌癥篩查、疾病診斷、病情監(jiān)測以及個人智能健康管理，是國內(nèi)代表性的布局企業(yè)。

另外在此次行業(yè)調(diào)研中，我們也注意到，ChromX Health的創(chuàng)始人與核心技術(shù)來自于美國密歇根大學(xué)、耶魯大學(xué)、哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院等世界頂尖科研院所。在與國際上其他呼氣診斷領(lǐng)跑公司的競速比賽中，ChromX Health充分利用中國豐富的臨床資源，以其創(chuàng)新性的呼氣VOC組學(xué)分析技術(shù)優(yōu)勢，相信在疾病診斷Biomarker的優(yōu)化、臨床應(yīng)用的推廣和呼氣VOC檢測行業(yè)指導(dǎo)等方面會有令人期待的表現(xiàn)。

目前，全球呼氣代謝組學(xué)領(lǐng)域多家公司都處于快速發(fā)展期，他們的產(chǎn)品都已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，未來可以期待在呼氣代謝組學(xué)商業(yè)化和廣泛臨床應(yīng)用方面將很快取得關(guān)鍵突破性進(jìn)展。簡易、精準(zhǔn)、無創(chuàng)非侵入式的呼氣分子診斷正處在產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的前夕，它有機(jī)會改變當(dāng)前疾病早篩和診斷的技術(shù)格局，開辟分子診斷領(lǐng)域波瀾壯闊的新藍(lán)海。

參考文獻(xiàn)

1. 1. Nakhleh MK, et al. Diagnosis and Classification of 17 Diseases from 1404 Subjects via Pattern Analysis of Exhaled Molecules. ACS Nano. 2017;11(1):112-125.
2. 2. Kuo TC, Tan CE, Wang SY, Lin OA, Su BH, Hsu MT, Lin J, Cheng YY, Chen CS, Yang YC, Chen KH, Lin SW, Ho CC, Kuo CH, Tseng YJ. Human Breathomics Database. Database (Oxford). 2020;2020:baz139.
3. 3. Chan LW, Anahtar MN, Ong TH, Hern KE, Kunz RR, Bhatia SN.Engineering synthetic breath biomarkers for respiratory disease. Nature Nanotechnology. 2020;15(9):792-800.