从30分钟到3分钟：瑞金团队突破性研究验证呼气筛查慢性呼吸病

上海交通大学医学院附属瑞金医院呼吸与危重症医学科周敏教授团队在《Respiratory Research》发表最新科研成果，基于呼出气挥发性有机物（VOCs）的检测，使用便携式微型气相色谱仪（Micro GC）首次在COPD、哮喘及PRISm早期筛查中实现临床应用验证。该技术突破为慢性呼吸疾病高危人群的快速筛查提供了高效工具，覆盖潜在患者超10亿。

专家观点 周敏教授解析临床价值

周敏

主任医师，教授，法国居里研究所博士后。上海交通大学医学院附属瑞金医院呼吸与危重症医学科副主任，博士生导师。中华医学会呼吸病分会工作秘书，呼吸治疗学组副组长。

上海交通大学医学院附属瑞金医院呼吸与危重症医学科副主任周敏教授指出："这项研究首次验证了微型气相色谱技术在慢性呼吸疾病筛查及鉴别诊断的临床应用潜力。通过分析呼出气中特定的VOC标志物组合，我们能够有效区分COPD、哮喘和PRISm患者，尤其对早期肺功能异常（PRISm）的识别具有重要意义。"她强调，传统肺功能检测需患者配合吹气半小时，对老年和重症患者存在困难，而新技术仅需正常呼气3分钟即可完成采样，"这为基层医疗机构提供了革命性筛查工具，有望突破我国呼吸慢病'早筛难、诊断晚'的困局"。

研究背景：慢性呼吸疾病筛查困境待解

慢性呼吸系统疾病已成为全球第三大死亡原因，其中慢性阻塞性肺病（COPD）和哮喘是两种常见类型，给全球健康带来重大挑战并造成巨大的宏观经济负担。此外，FEV₁/FVC比值正常（≥0.7）但存在肺通气功能减损（FEV₁或FVC%pred <80%）的非阻塞性肺功能异常（Preserved Ratio Impaired Spirometry，PRISm）可视为COPD的极早期阶段，与COPD的并发症发病率及全因死亡率增加显著相关。

目前肺功能测试是COPD和哮喘的主要诊断标准，但该方法存在耗时长、重症患者配合度差、基层医疗机构普及率低等痛点，难以满足全球数亿潜在患者的筛查需求。因此，开发快速、准确且便捷的诊断方法对缓解COPD和哮喘的负担至关重要。

人体内各种代谢过程会产生呼出气中的内源性挥发性有机化合物 (VOCs)，它们通过血气交换到达肺泡。因此，呼出气VOC的变化可以反映患者不同的病理生理状况，前期研究已证实VOCs在肺癌、急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、间质性肺病（ILD）等疾病中的诊断价值，但其在PRISm识别及慢性呼吸疾病鉴别诊断中的应用尚未充分探索。

研究目的：探索非侵入性呼气代谢组学新途径

本研究基于非侵入性呼出气代谢组学技术，筛选慢性呼吸系统疾病（COPD、哮喘、PRISm）特异性VOC，并构建机器学习模型实现患者早期鉴别。

研究方法

样本收集

从2023年8月至2024年6月，在瑞金医院呼吸功能检查室招募了184名COPD患者、66名哮喘患者、72名PRISm个体及45名健康人，收集其呼出的呼气样本，并记录了人口统计学特征、临床表现、既往疾病史及肺功能测试结果等信息。

样本分析

团队利用自主开发的便携式微型气相色谱(Micro GC)装置(CXBA-Alpha)对呼气样本进行分析，通过单变量和多变量分析筛选潜在VOC标志物。

模型建立

基于这些VOC标志物及基线特征，运用机器学习算法建立分类模型，并计算模型的敏感性、特异性和准确性，以评估其整体判别性能。

研究结果：多维度呈现突破性发现

VOC标志物发现体系

• 1.建立涵盖COPD（9种）、PRISm（9种）、哮喘（5种）的特异性VOC图谱

• 2.开发了多病种鉴别模型，发现5种VOC可鉴别COPD与哮喘

• 3.首次发现PRISm的7种特异性VOC，可区分PRISm人群和哮喘患者

不同比较组之间特征性VOC的相对浓度。a：COPD 组 vs. 健康对照组。b：PRISm组 vs. 健康对照组。c：轻度/中度COPD组 vs. 重度/极重度COPD组。d：哮喘组 vs. PRISm组。e：哮喘组 vs. COPD组。f：哮喘组 vs. 健康对照组。

模型性能

研究利用五种算法建立诊断模型并选出最优模型：

分类模型的ROC曲线。a：COPD组 vs. 健康对照组。b：PRISm组 vs. 健康对照组。c：哮喘组 vs. PRISm组。d：哮喘组 vs. COPD组。e：哮喘组 vs. 健康对照组。

不同对照组的最优诊断算法模型总结：

随着慢阻肺防治纳入国家基本公共卫生服务项目，该研究首次验证了呼气代谢组学和微型气相色谱技术在慢性呼吸疾病筛查及鉴别诊断的临床应用潜力，其快速筛查能力可有效衔接高危人群识别、早期干预和长期管理链条，将在预防、早发现、早治疗方面发挥作用。