暨南大学胡斌副研究员：面向新冠肺炎诊断与研究的人体呼气质谱分析

近日，暨南大学胡斌副研究员团队在Journal of Analysis and Testing 2021年第4期发表综述论文“Mass Spectrometry‑Based Human Breath Analysis: Towards COVID‑19 Diagnosis and Research”。该文总结了新冠肺炎呼气质谱分析方法的研究进展，并从有机代谢物、蛋白质、微生物和无机元素等多个维度讨论了质谱技术在新冠肺炎诊断与研究中的应用前景和挑战。

面向新冠肺炎诊断与研究的人体呼气质谱分析

新冠肺炎（COVID-19）是由新型冠状病毒（SARS-Cov-2）引发的传染病，已给全球带来了严重的生命财产与经济损失并且仍在继续发展。研究证实新冠肺炎可通过人体呼气及飞沫传播。人体呼气是一种生物气溶胶，含有大量挥发性物质、水汽以及融合在水汽小液滴中的不挥发性物质如有机代谢物、生物大分子和微生物等等。这些人体呼气成分与人体的生理病理及行为密切相关，并且可通过简单便捷和活体无创的方式采集。因此，人体呼气分析在疾病诊断、生命科学、临床医学、药物研究、环境健康和刑侦法医等涉及人体健康与分子医学领域具有重要的应用。特别地，受新冠肺炎这一与呼吸系统及呼气传播密切相关的疾病挑战，基于人体呼气分析新冠肺炎诊断与研究是新兴的前沿热点和难点。

表1 新冠肺炎的诊断技术

质谱是同时具备灵敏度高、特异性好、信号响应快的仪器分析方法，是研究新冠肺炎的基因组学、蛋白质组学、代谢组学和微生物组学的强大分析工具，并取得了重要进展。与其他新冠肺炎的诊断技术相比，基于质谱技术的人体呼气分析具有无创、活体、操作简单、分析性能好、适用性强等优点（表1）。质谱技术结合不同的采样方法、分离技术、或电离技术可在不同维度对人体呼气进行分析（图1），为新冠肺炎在快速诊断与分子生物学研究提供新的视角。

图1 基于质谱技术新冠肺炎呼气的多维分析

直接质谱技术

直接质谱（DI-MS）技术包括原位电离质谱（AI-MS），是指无需样品前处理条件下直接分析样品的质谱技术，已成功地发展应用于人体呼气成分的实时在线监测，例如质子转移反应质谱（PTR-MS），选择离子流动管质谱（SIFT-MS），电喷雾萃取电离质谱（EESI-MS），以及二次电喷雾电离质谱（SESI-MS）等。这些直接质谱技术可以连续、无创、实时地直接引入人体呼气，实现呼气的在线质谱监测，为快速获取呼气信息提供新的技术手段。在直接质谱技术监测呼气的同时，结合质谱数据的统计方法和机器学习（图2），为筛查新冠肺炎的生物标志物提供了新手段。直接质谱技术是新冠肺炎快速诊断有力的诊断工具，将有望在呼吸疾病诊断和筛查取得新的突破。

图2 新冠肺炎呼气质谱数据处理方法：a. PCA, b. OPLS-DA, c. 使用三种机器学习算法的完整模式, d. 只使用最重要特征的模型

气相色谱质谱技术

人体呼出气中的挥发性物质主要来源于内源性代谢物（由呼吸道和内脏系统及其微生物产生）和外源性物质（由食物、药物、环境及其代谢物产生），而新冠肺炎病毒可能产生特殊的挥发性代谢标志物。监测人体呼出代谢物产物可以深入理解新冠病毒引起的生理病理变化。气相色谱质谱（GC-MS）技术具有稳定性好、分离能力强、灵敏度高、特异性好等特点，并配备有强大的数据库，是一种呼出代谢物分析的有力手段。此外，耦合新型呼气采集技术，如口罩微萃取技术（图3），气相色谱质谱还有望实现超痕量代谢物的精准分析。特别地，随着便携式气相色谱质谱的发展，可以根据需求将便携式质谱转移到社区、学校、医院等场所进行现场诊断，进一步提高新冠肺炎的诊断能力。

图3 新型质谱呼气分析新方法：a. SPME探针, b. 口罩微萃取呼气采样, c. SPME-DART-MS分析, d. 台式SPME-GC-MS分析, e. 便携式SPME-GC-MS分析

液相色谱质谱技术

人体呼气中还包括多种非挥发性有机物和生物基质，为呼吸系统疾病提供了生物化学信息。液相色谱质谱（LC-MS）通常用于分析呼出气溶胶中的有机代谢物和蛋白质。由于呼气中的有机代谢物和蛋白质含量低，通常需要对呼气进行预处理，例如呼气冷凝浓缩。研究表明，呼气冷凝物的收集是呼气蛋白质组学和代谢组学研究的关键因素之一。因此，呼气冷凝物结合LC-MS分析可能成为研究新冠肺炎呼气中蛋白质组学和代谢组学的有力工具，从而发现呼气中的生物标志物，为新冠肺炎的生物学研究提供新认识。

基质辅助激光解吸电离质谱技术

由于新冠肺炎可以通过呼出气溶胶和飞沫传播，从呼气样本中直接鉴别新冠肺炎病毒是迫切的需求。基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）具有灵敏度高、准确度高、和质量范围广的特点，可以分析包括细菌、真菌和病毒等微生物。鼻咽拭子样品、血浆或血清中的病毒特异性蛋白/核酸也可通过MALDI-MS分析。MALDI-MS在新冠肺炎临床诊断和冠状病毒研究中已经取得许多重要进展。在MALDI-MS分析过程中，通过将微生物的肽质量指纹图谱、蛋白质、核酸序列等信息与数据库进行匹配鉴定。MALDI-MS可以用于准确筛选已知的冠状病毒，为出现未知的人类冠状病毒提供病理和生理学依据。

电感耦合等离子体电离质谱技术

电感耦合等离子体电离质谱（ICP-MS）是一种强大的元素分析技术，可以检测人体组织、体液和呼气中的无机元素。研究发现，新冠肺炎患者体内会出现矿物质状态失衡，可能受到一种尚未发现的无机生物学机制的影响。目前新冠肺炎患者呼气中无机元素的变化机制尚不清楚，ICP-MS有望成为筛查新冠肺炎呼气样本中无机元素变化的有力工具，并且发现新型无机生物标志物。ICP-MS有望成为新冠肺炎呼气诊断与研究的新手段，并为更好地理解新冠肺炎的潜在无机生物学过程提供新的视角。

小结

自从新冠肺炎爆发以来，质谱技术在新冠肺炎的诊断应用与基础研究方面飞速地发展。本文从有机代谢物、蛋白质、微生物、无机元素等多个维度评述了人体呼气质谱分析在新冠肺炎诊断与研究的进展。在诊断方面，呼气质谱技术已经在临床检验方面取得了很大的进展，然而如何实现快速、准确、现场的诊断应用仍然有待进一步的改进和验证。在研究方面，呼气质谱分析为更好地理解新冠肺炎病毒在人体的生理学、生物化学和无机生物学的机制提供了新的视角，如何深入地揭示新冠病毒对人体健康的影响，在样品采集、质谱分析、数据处理方面仍需要深入系统的研究。新冠肺炎的呼气质谱分析在未来仍然充满机遇，包括但不限于分析化学、仪器研制、生物化学、临床医学和人工智能等领域不同学科的交叉融合，将有望更好地诊断和理解新冠肺炎。

本文引文信息

Yuan, ZC., Hu, B. Mass Spectrometry-Based Human Breath Analysis: Towards COVID-19 Diagnosis and Research. J. Anal. Test. 5, 287–297 (2021). https://doi.org/10.1007/s41664-021-00194-9

作者简介

胡斌，博士，暨南大学质谱仪器与大气环境研究所副研究员。长期从事质谱分析及相关交叉学科研究工作。研究方向包括：样品采集与制备新方法、离子化技术、生命健康与公共安全质谱分析研究等。相关工作以（共同）第一或通讯作者在Analytical Chemistry, Trends in Analytical Chemistry, Nature Protocols等期刊上发表SCI论文40多篇；论文总引用2500多次，个人H指数25。曾获中国青少年科技创新奖和中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖等奖项。担任香港研究资助局、广东省科技厅、广东省基础与应用基础研究基金委员会等评审专家，以及Advanced Materials, Analytical Chemistry, Food Chemistry, Environmental Science & Technology等20余国际SCI期刊审稿专家。