基于光腔衰荡光谱技术的呼吸生物标记物研究

Breath analysis is an emerging research field, which can potentially lead to noninvasive, low-cost disease/cancers diagnostics and early screening using a specific breath biomarker. Current breath analysis research embraces a commondrawback that the reported clinical studies either used a limited number of humansubjects (research data insufficiency) or took a long research period in order toobtained more data (low data collecting efficiency). Technologically, this issueis due to the constraint of the current breath analysis technology ,which are predominantly based on GC-MS or MS-based methods in general. The GC-MS or MS-methods are time-consuming and expensive. They need acomplicated sample preparation, such as sample collection and pre-concentration.Consequently,breath analysis research suffers from "data insufficiency". This phenomenon hinders the further advancement of breath analysis research. We propose to develop a portable, highly-sensitive, real-time, on-line breath analyzer using cavity ringdown spectroscopy (CRDS). The advanced laser spectroscopy will help address the issues of the data insufficiency in clinical breath analysis due to its unique capabilities of real-time response, in-situ deployment,freedom from sample pre-concentration and measurement calibration. The project brings up an investigation of breath biomarker based on cavity ringdown spectroscopy. This will provide important fundamental data and sciectific evidence for the research of breath analysis.The research idea is based on the PI's previous studies in breath analysis and his expertise in CRDS and its instrumentation.

呼吸气体分析（Breath Analysis）研究对实现重大慢性疾病的无创检测和筛查有着重要意义。但目前呼吸气体分析研究领域的发展主要存在两大挑战：一是对确定的呼吸生物标记物，与现有的临检参数缺乏定量相关性，须深入研究以实现临床诊断；二是许多疾病的生物标记物还有待研究，需要发现用于其诊断的新标记物。这都需要一种高灵敏度的实时在线分析技术，在极短的时间内完成大量呼吸样品研究。相比质谱技术，光腔衰荡光谱（CRDS）技术具有高灵敏、可携化、实时在线等优点，有着广阔的应用前景。本项目提出的"基于光腔衰荡光谱技术的呼吸生物标记物研究"，将重点围绕重点围绕丙酮在紫外波段的CRDS光谱库、研究呼吸气体生物标记物丙酮与血糖的定量相关性、发现重大疾病新的可靠的呼吸生物标记物，为Breath Analysis领域的研究提供基础数据和科学依据。

呼吸气体分析（Breath Analysis）研究对实现重大慢性疾病的无创检测和筛查有着重要意义。但目前呼吸气体分析研究领域的发展主要存在两大挑战：一是对确定的呼吸生物标记物，与现有的临检参数缺乏定量相关性，须深入研究以实现临床诊断；二是许多疾病的生物标记物还有待研究，需要发现用于其诊断的新标记物。这都需要一种高灵敏度的实时在线分析技术，在极短的时间内完成大量呼吸样品研究。相比质谱技术，光腔衰荡光谱（CRDS）技术具有高灵敏、可携化、实时在线等优点，有着广阔的应用前景。.本项目国际上首次完成并发布了便携式超灵敏、实时在线Ringdown丙酮呼吸分析仪LaserBreath-001，其对呼吸丙酮的检测极限可低至0.03ppm，单个呼吸气体样品的测量时间缩短至约1分钟，该丙酮呼吸分析仪受到了国际同行的高度评价。.基于该丙酮呼吸分析仪高效测量的优势，对398例住院2型糖尿病人和52名健康人基本医疗信息及呼吸气体样品数据进行分析，结果表明2型糖尿病患者呼吸丙酮浓度与血糖水平、糖化血红蛋白水平没有相关性。性别、气体样本采集状态、糖化血红蛋白、BMI、年龄及血糖水平等指标均影响到2型糖尿病受试者的呼吸丙酮浓度。.对20名1型糖尿病患者同时的呼吸丙酮、血糖和血酮的30天连续测量，（1）个体平均呼吸丙酮浓度与个体平均血酮浓度具有正相关关系 (R=0.57, P<0.05)。(2) 一些异常的生理条件如酮体症、低的身体质量系数（BMI）或者某一具体日常行为（如锻炼）可以通过异常的呼吸丙酮浓度识别。.对43名1型糖尿病患者和262名健康人的呼吸数据，利用ROC曲线进行呼吸丙酮在1型糖尿病筛查中的应用分析， AUC=0.818，在T1D筛查诊断过程中有一定的准确性。.对乳腺癌和肺癌识别的呼吸标记物进行了初步探索，对于乳腺癌选取丙酮和十二烷做双指标联合ROC曲线，得到AUC=0.812；若使用甲硫醚、丙酮、异丙醇、甲苯、二甲基-1,3-丁二烯和十二烷等6种成分做ROC曲线，则得到AUC=1；对于肺癌，由于有效数据量过少，选取乙苯计算得出AUC=0.705，在肺癌诊断筛查中有一定的准确性。