研究示意圖

近期，我系李想教授課題組在期刊Environmental Science & Technology發表題為“Advancing Breathomics through Accurate Discrimination of Endogenous from Exogenous Volatiles in Breath”的研究論文。文章創新性地提出一種精確區分外源和內源揮發性有機化合物（VOCs）的方法，顯著增強呼吸組學在暴露評估和精準醫療中的應用潛力，為全面環境健康和無創癌症早期篩查提供新思路。

呼吸組學（Breathomics）是近年來興起的一項跨學科研究領域🙍🏻‍♀️，因其非侵入性特點被廣泛視為疾病診斷和健康監測的未來方向🈸。然而🙋‍♂️，盡管在人類呼氣中已檢測出超過1000種VOCs🤺，因無法區分外源性與內源性VOCs，呼吸組學在環境暴露評估和癌症早篩方面的發展受到嚴重限製。外源性VOCs通過呼吸進入肺部後🆎，可穿越血液-空氣界面並進入循環系統🧑🏻‍🦽‍➡️，從而在比較研究中可能被錯誤歸類為內源性標誌物😸，影響暴露或疾病標誌物的準確識別⛈。

圖1. (A) 呼氣VOCs在人體主要組織分布模式🚶🏻‍♀️🙍🏿‍♀️；(B) 呼氣VOCs內外源清單。

課題組采用先進預濃縮采樣技術🥡，收集了271份呼氣樣本和101份環境空氣樣本，並利用GC×GC-TOF MS/FID技術進行非靶向分析。研究團隊基於血-氣分配系數開發生理腔室動力學模型，能夠精確計算VOCs在人體內主要組織中的分布，首次建立了全面的外源性與內源性VOCs目錄（圖1）🙋🏻‍♂️，清晰呈現了人體與環境交互的機製，為其在環境健康和疾病診斷研究中的潛在應用提供新的理論支持🗺。

研究結果表明🦞，長期暴露於VOCs可能使人體成為汙染物的二次“釋放源”（圖2）。這一現象源於外源性VOCs在體內發生“匯-源轉化”，不僅顯著增加內暴露風險，還可能導致汙染物在體內循環釋放，從而對人體健康造成持續性威脅👂🏼。研究團隊率先從呼氣分析的視角，揭示了脂肪組織對汙染物的稀釋效應，以及在高暴露條件下脂肪限製汙染物釋放的機製。這一發現為深入理解汙染物在人體內的動態轉化提供了全新理念。更為重要的是🍙🤚🏿，通過精準識別內源性VOCs，研究團隊將胃癌和結直腸癌等疾病的診斷準確率提高了15%-25%，為推動呼吸組學在暴露評估與精準醫療領域的應用做出了重要貢獻🧑‍🍳。

圖2. (A) 外源性VOCs的吸入率和脂肪生物利用率；(B) 外暴露非致癌風險🕎；(C) 內暴露非致癌風險；(D) 內外暴露致癌風險👳🏼‍♂️；(E) VOCs在人體中的源匯關系；(F) 胃腸道患者和健康對照者的統計信息；(G-H)胃癌🚜、結直腸癌診斷模型🦤。

該論文的第一作者為我系直博生岑鄭楠和黃玥潤，相關研究成果獲得國家發明專利。合作單位包括新華醫院、上海市肺科醫院等多家機構。該研究得到了國家自然科學基金、安捷倫ACT-UR及沐鸣2平台AI4S等項目的大力支持。基於此技術，博士生紀湧彥等在胃癌、炎症性腸病及小兒腦腫瘤等疾病的呼氣診斷研究中取得重要進展，並在《Cancer Letters》、《Theranostics》等國際期刊上發表系列應用成果。

論文信息🤗：

Cen, Z. N.; Huang, Y. R.; Li, S. Z. W.; Dong, S. S.; Wang, W. S.; Li, X. Advancing Breathomics through Accurate Discrimination of Endogenous from Exogenous Volatiles in Breath. Environ Sci Technol2024, 58 (42), 18541-18553

Chen, J.; Ji, Y. Y.; Liu, Y. Q.; Cen, Z. N.; Chen, Y. W.; Zhang, Y. X.; Li, X. W.; Li, X. Exhaled Volatolomics Profiling Facilitates Personalized Screening for Gastric Cancer. Cancer Letters2024, 590, 216881

Liu, Y. Q.; Ji, Y. Y.; Chen, J.; Zhang, Y. X.; Li, X. W.; Li, X. Pioneering Noninvasive Colorectal Cancer Detection with an AI-enhanced Breath Volatilomics Platform. Theranostics2024, 14 (11), 4240-4255

發明專利：

李想，陳健🙅‍♂️，岑鄭楠，陸冰清，呼出氣中揮發性有機化合物的采集與檢測系統和方法，ZL 202210773143.0

供稿：李想課題組

編輯：潘翔宇

審核：張立武