我们为什么要关心呼出的挥发性有机化合物背后的生物学?

出版于5月14日19日,下科学与研究

为了诊断疾病和对患者进行个性化治疗,越来越多的人开始研究呼出气体中的挥发性有机化合物(VOCs)。在这里,rianne fijten,高级科学家Maastro诊所Maastricht,在现场分享她的观点,探讨了识别VOC的精确生化起源的优势。

VOC起源博客图

潜力狗万2021a 在许多领域都有应用,包括但不限于疾病的诊断和监测.然而,与任何相对较新的研究领域一样,在临床实施之前仍需要解决一些关键的挑战。这包括缺乏标准化、适当的统计方法和外部验证。然而,还有一个更为紧迫和根本的问题需要探索:即使成千上万的呼出气体多年来,人们一直对VOCs在人体中的来源缺乏了解(Kwak和Preti, 2011;Jia et al., 2019)。

为什么我们应该关心VOC来自哪里?是否知道基于VOC的预测模型是不够的?简单的事实是,这些模型可以偏见,嘈杂并携带很多(统计)的不确定性,因此必须了解VOC的生物来源和功能对于模型具有真正的信心,特别是在涉及某种东西时重要且潜在的生活变化为医疗诊断。

当在不同时间采集样本时,每个人呼出的气体容易发生变化,甚至单个人呼出的气体也容易发生变化。例如,我一小时前吃了什么,今天早上有没有刷牙,这些都会影响我呼出的气体中含有哪些挥发性有机化合物以及含量。了解这些挥发性有机化合物的来源有助于我们区分来自人体的挥发性有机化合物和来自饮食或污染等其他来源的挥发性有机化合物。这是一个重要的区别,因为尚不清楚这些VOCs的差异是与环境变化有关,还是反映了疾病导致的真实生物变化。

这是完全可能的“外部”的挥发性有机化合物的仪器被肝脏、脂肪组织和其他器官转化、吸收或释放,因此可能提供整体健康状况的指示。但以目前的研究水平,我们怎么能确定呢?同样,仅仅因为VOCs可能从环境中来就去除它们也不是解决问题的办法。我们需要更好地理解所涉及的过程。

无论潜在的原因如何,知道VOC来自哪里是呼出呼气分析到临床实践的第一步;决心我们作为社区的一步。首先,了解VOC的起源将使我们能够排除任何没有生物学意义的任何,并且只研究人体内部产生,转化,储存或使用的那些。其次,介绍进入未来,呼出呼气分析有一个很大的机会,不仅在诊断领域工作,而且在疾病或治疗监测中。由于疾病进展的许多机制和其对治疗的反应是已知的,发现和靶向与这些机制的副产品直接产生的VOC会鼓励在医学界广泛接受。

迄今为止,只有少数VOCs被详细研究过,并与人体的生物过程有关。例如,在糖尿病酮症酸中毒期间,二甲硫是由于肝臭气呼出,丙酮则通过肺部排出(Tangerman et al., 1994;Laffel, 1999)。然而,对于大多数其他VOCs,只提出了假设的内生来源,尚未得到证实。

在过去的几年中,越来越多的研究开始在实验室中使用各种策略在细胞水平上研究VOC的特征。然而,这些策略带来了一些新的挑战。例如,比较细胞和细胞培养基(Filipiak et al., 2008;Mochalski et al., 2015;Baranska et al., 2013)可能提供对细胞整体代谢的深入了解,但不能明确VOCs是在细胞内部产生的还是来自其直接环境。另一个例子是非癌细胞和癌细胞之间的比较(Lavra et al., 2015;Haick等人,2012;Schallschmidt et al., 2015)。癌症细胞株在分子水平上已经发生了很大的变化,因此不可能说两者之间的差异与特定的癌症过程有关。

上述两种方法都不能让我们准确地确定VOC的来源。如果我们要取得进展,我们应该寻求用致癌物质或药物等外部刺激来挑战细胞(Fijten et al., 2017),随后在多个水平上测量细胞变化(DNA, RNA,蛋白质,以了解细胞内发生了什么,并为影响呼出VOC水平的途径或过程提供线索。这些新产生的假设可以通过操纵关键的DNA、RNA、蛋白质或(非挥发性)代谢物靶点来进一步研究。

你可能会问,为什么仅仅将VOC与某个途径或过程联系起来,而不是精确地找出产生VOC的基因、蛋白质或代谢物,还不够呢?将挥发性有机化合物与路径连接起来是合乎逻辑的第一步,但不应是最后一步。为了充分发挥呼气分析的潜力,我们需要将其引入更复杂的情况,如疾病或治疗监测(考虑治疗缺乏反应或监测病情恶化)。由于对哪些基因/蛋白质是疾病和治疗反应的主要罪魁祸首已经有了很多了解,确定VOC的确切来源将有助于开发针对具体情况的临床相关循证监测工具。

为了澄清这个概念,我们来看看癌症。如果我们知道一种由引起化疗耐药性的蛋白质产生的挥发性有机化合物,我们就可以每天监测这种挥发性有机化合物,以跟踪化疗的有效性。如果没有反应,就可以迅速发现,并允许医生在为时过晚之前增加剂量或更换药物,从而允许医生使用呼气分析来进行个性化治疗。

只有通过上述详细方法,我们将能够高确定性地说,特定VOC来自人体内。以这种方式针对VOC的生物源起源将有助于验证现有的呼吸结果,并提供早期检测更多疾病所需的可靠和非侵入性临床诊断测试,并挽救更多生命。

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2018年,Rianne是剑桥就职呼吸活检会议的发言者之一。更多关于她的关于rianne的信息介绍视频从会议和观察她演讲全文

参考文献

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Filipiak,W.等。(2008)在体外释放来自肺癌细胞系Calu-1的挥发性有机化合物(VOC)。癌细胞int。,8,17。http://dx.doi.org/10.1186/1475-2867-8-17

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