CN104919317B - 使用呼吸气体的癌症诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种诊断癌症的方法，所述方法包括检测癌症患者呼出气中具体所含的挥发性有机化合物(VOC)，并且更特别地，涉及一种为癌症诊断提供信息的方法，所述方法包括测量从疑似患有癌症的患者收集的呼出气体中是否存在癌症特异性VOC的分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的电离片段的步骤。根据本发明，可通过使用取自癌症患者的呼出气以非侵入性方式，以高灵敏度在早期诊断出癌症。因此，本发明的所述癌症诊断方法与传统的癌症诊断方法相比，可以更有成本效益且更迅速的方式诊断癌症。

Description

使用呼吸气体的癌症诊断方法
技术领域
本发明涉及一种诊断癌症的方法，所述方法包括检测癌症患者呼出气中具体所含的挥发性有机化合物(VOC)，并且更特别地，涉及一种为癌症诊断提供信息的方法，所述方法包括测量从疑似患有癌症的患者收集的呼出气体中是否存在癌症特异性VOC的分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的电离片段的步骤。
背景技术
已知乳腺癌是全世界女性中最常见的癌症之一。然而，众所周知当早期诊断出乳腺癌并通过诸如手术等适合方法治疗时，乳腺癌患者的存活率比其它癌症患者的存活率高。能够诊断乳腺癌的方法包括乳房X线照相术、超声波检查、诊断成像技术(例如乳房磁共振成像(MRI))、活检和乳房自我检查。乳房造影术的缺点在于其昂贵且使用辐射。乳房磁共振成像(MRI)是一种不使用辐射的安全方法，并且优于其它诊断成像技术，但是引起的高成本是乳房MRI普及使用的障碍。另外，活检使精确的癌症诊断成为可能，但是因为昂贵并且留疤，所以难以用作早期诊断方法。
最新韩国癌症统计数据(Recent Korean Cancer Statistics)表明2009年出现约32,000名新的甲状腺癌患者并且甲状腺癌在所有类型的癌症中排名第一。这样的甲状腺癌患者大约构成了韩国的新癌症患者并且预计未来将进一步增加。然而，已知甲状腺癌具有很好的预后，并且大部分甲状腺癌可完全治愈，但是一些甲状腺癌可极具侵袭性。因此，重要的是早期诊断出甲状腺癌。诊断主要以临床和验血结果及影像评估开始，并且通过细针抽吸活检或手术在病理学上诊断癌症。然而，这种诊断方法全部为侵入性、昂贵且不易实现，并且需要更为普遍和便宜的诊断方法。使用呼出气对甲状腺癌的诊断似乎是非侵入性且便宜的诊断方法。
作为癌症疾病的非侵入性早期诊断方法，已经积极研究了检测有肺癌、乳腺癌、头颈癌等的癌症患者的呼出气中的癌症特异性挥发性有机化合物(VOC)的方法。然而，使用呼出气诊断癌症的方法尚未广泛使用。这是因为呼出气主要由氮气、氧气、二氧化碳等组成，呼出气中挥发性有机化合物(VOC)的浓度低至纳摩尔(10-9M)皮摩尔(10-12M)级浓度，并且很难在这些挥发性有机化合物中发现癌症特异性组分。然而，随着气味传感器技术例如电子鼻的发展，已经对人类呼出气或尿液中所含挥发性有机化合物(VOC)作为各种疾病，特别是癌症的指标的可能用途进行了研究。
众所周知由过度氧化应激产生的物质引起几种类型的癌症，包括乳腺癌。氧化应激提高了线粒体活性氧(ROS)的水平，并且使这些ROS被引入到细胞质内氧化DNA、蛋白质等。特别地，氧化应激引起多不饱和脂肪酸的脂质过氧化。由这种脂质过氧化产生的物质为VOC，包括烷烃(C4-C20)化合物、甲基烷烃化合物等，并且此类VOC从细胞组织转移到血液循环系统中，并且这些VOC中的一些作为肺泡呼出气呼出。
新近研究报道在呼出气中检测到的乳腺癌特异性VOC包括诸如烷烃(壬烷)和甲基烷烃(5-甲基十三烷等)的化合物(Micheal Phillips,MD,The Breast Journal,9:184,2003)，以及2-丙醇、2,3-二氢-1-苯基-4(1H)-喹唑啉酮、1-苯基-乙酮、庚醇、肉豆蔻酸异丙酯等(Micheal Phillips,MD,Breast cancer Research and Treatment,99:19,2006)。另外，在乳腺癌患者的呼吸样品中检测到已知的致癌化合物，包括3,3-二甲基戊烷、2-氨基-5-异丙基-8-甲基-1-甘菊环烃腈、5-(2-甲基丙基)壬烷、2,3,4-三甲基癸烷、2-三氟甲基苯甲酸6-乙基-3-辛基酯(Hossam Haick,British Journal of Cancer,103:542,2010)等等，但是难以适用于基于呼吸检测的诊断方法。
鉴于这样的事实，在韩国迫切需要研发使早期诊断成为可能并且便宜且非侵入性的诊断乳腺癌的方法。
因此，本发明人做了大量工作来研发便宜且非侵入性的早期诊断癌症的方法，并且因此，已经研发了通过根据质谱分析法使用电子鼻，分析癌症患者的呼出气中具体所含的乳腺癌特异性挥发性有机化合物(VOC)，并且检测呼出气中癌症特异性挥发性有机化合物的存在或不存在，从而完成本发明的一种诊断癌症的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种早期诊断癌症的非侵入性方法，所述方法包括分析癌症患者的呼出气中所含的挥发性有机化合物。
为实现以上目的，本发明提供了一种分析呼出气中的癌症特异性VOC电离片段以诊断癌症的方法，所述方法包括以下步骤：(a)检测呼出气体中癌症特异性VOC的分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的电离片段；及(b)根据检测的结果获得癌症相关信息。
本发明还提供了一种为癌症诊断提供信息的方法，所述方法包括以下步骤：(a)检测呼出气体中癌症特异性VOC的分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的电离片段；及(b)根据检测的结果获得癌症相关信息。
本发明还提供了一种为癌症诊断提供信息的方法，所述方法包括测量从疑似患有癌症的患者收集的呼出气体中是否存在选自全氟癸酸、全氟戊酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟-1-庚烯、全氟代环己烷、1H,1H-全氟-1-庚醇、八氟环丁烷和全氟(甲基环己烷)的癌症特异性VOC的步骤。
本发明还提供了一种测量癌症特异性VOC以诊断癌症的方法，所述方法包括测量从疑似患有癌症的患者收集的呼出气体中是否存在选自全氟癸酸、全氟戊酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟-1-庚烯、全氟代环己烷、1H,1H-全氟-1-庚醇、八氟环丁烷和全氟(甲基环己烷)的癌症特异性VOC。
从以下详细描述和所附权利要求看，本发明的其它特征和实施方案将更明显。
附图说明
图1显示了使用电子鼻分析正常人和乳腺癌患者的呼出气中所含挥发性有机化合物(VOC)的结果。(a)：健康对照组的呼出气中所含化合物的结果；和(b)：乳腺癌患者的呼出气中所含化合物的结果。
图2显示了通过气相色谱-质谱分析法(GC-MS)分析正常人和乳腺癌患者的呼出气中所含挥发性有机化合物(VOC)的结果。(a)：健康对照组的呼出气中所含化合物的结果；和(b)：乳腺癌患者的呼出气中所含化合物的结果。
图3显示了使用数据库分析乳腺癌患者的呼出气样品的GC-MS结果的方法。
图4显示了通过气相色谱-质谱分析法(GC-MS)分析正常人和乳腺癌患者的呼出气中所含挥发性有机化合物(VOC)的结果。(a)：甲状腺癌患者的呼出气中所含化合物的结果；和(b)：健康对照组的呼出气中所含化合物的结果。
具体实施方式
除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本发明所属领域中普通技术人员通常所理解的相同含义。通常，本文使用的命名众所周知并且在本领域中常用。
一方面，本发明涉及一种分析呼出气中的癌症特异性VOC电离片段以诊断癌症的方法，所述方法包括以下步骤：(a)检测呼出气体中癌症特异性VOC的分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的电离片段；及(b)根据检测的结果获得癌症相关信息。
本发明人已经研发了通过分析癌症患者的呼出气中具体所含的挥发性有机化合物(VOC)并且检测所述挥发性有机化合物而诊断癌症的方法。
在本发明的一个实例中，使用电子鼻和GC-MS检测呼出气中的VOC。然而，在本发明中可使用任何分析仪器，没有限制，只要其可检测呼出气中的某些VOC。
电子鼻将人类鼻子的嗅觉数字化，以多传感器阵列技术为基础，并且显示来自于某一片段或气味组分与每个传感器的电化学反应的电信号。在本发明中，使用连有质谱仪的电子鼻Smart Nose 300(Switzerland)。
在本发明中，电子鼻可装备有质谱仪，并且对呼出气体中VOC电离片段的检测可使用电子鼻中装备的质谱仪进行。
另外，在本发明中，对呼出气体中VOC电离片段的检测可使用选自电子鼻、气相色谱-质谱仪(GC-MS)和气相色谱(GC)仪的仪器进行。
在本发明的一个实例中，使用电子鼻分析从乳腺癌患者和正常人收集的呼出气，并因此，发现在正常人和乳腺癌患者之间VOC的性质的确不同。通过GC-MS再次分析呼出气。结果，发现特别是在乳腺癌患者中检测到分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的VOC电离片段。
在本发明的另一个实例中，通过GC-MS分析来自于甲状腺癌患者的呼出气。结果，发现在甲状腺癌患者中检测到分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的VOC电离片段。
在本发明中，步骤(a)还包括检测分子量选自51、63、79、101、113、129、147、151和199的VOC电离片段。
因此，根据本发明的癌症诊断方法可以诊断选自脑肿瘤、头颈癌、乳腺癌、甲状腺癌、肺癌、胃癌、肝癌、胰腺癌、小肠癌、结直肠癌、肾癌、前列腺癌、宫颈癌、子宫内膜癌和卵巢癌的癌症。
在本发明中，与分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的电离片段相对应的化合物可选自全氟癸酸、全氟戊酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟-1-庚烯、全氟代环己烷、1H,1H-全氟-1-庚醇、八氟环丁烷、全氟(甲基环己烷)及其混合物。
以上化合物具有以下特征：
1)全氟癸酸
分子式：C10HF19O2；
分子量：514.08；
CAS登记号：335-76-2；
式1
2)全氟戊酸
分子式：C5HF9O2；
分子量：264；
CAS登记号：2706-90-3；
式2
3)全氟壬酸
分子式：C9HF17O2；
分子量：464；
CAS登记号：375-95-1；
式3
4)全氟辛酸
分子式：C8HF15O2；
分子量：414；
CAS登记号：335-67-1；
式4
5)全氟-1-庚烯
分子式：C7F14；
分子量：350；
CAS登记号：355-63-5；
式5
6)全氟代环己烷
分子式：C6F12；
分子量：300；
CAS登记号：355-68-0；
式6
7)1H,1H-全氟-1-庚醇
分子式：C7H3F13；
分子量：350；
CAS登记号：375-82-6；
式7
8)八氟环丁烷
分子式：C4F8；
分子量：200；
CAS登记号：115-25-3；
式8
9)全氟(甲基环己烷)
分子式：C7F14；
分子量：350；
CAS登记号：355-02-2
式9
另一方面，本发明涉及一种为癌症诊断提供信息的方法，所述方法包括以下步骤：(a)检测呼出气体中癌症特异性VOC的分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的电离片段；及(b)根据检测的结果获得癌症相关信息。
再一方面，本发明涉及一种为癌症诊断提供信息的方法，所述方法包括测量从疑似患有癌症的患者收集的呼出气体中是否存在选自全氟癸酸、全氟戊酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟-1-庚烯、全氟代环己烷、1H,1H-全氟-1-庚醇、八氟环丁烷和全氟(甲基环己烷)的癌症特异性VOC的步骤。
又一方面，本发明涉及一种癌症特异性VOC以诊断癌症的方法，所述方法包括测量从疑似患有癌症的患者收集的呼出气体中是否存在选自全氟癸酸、全氟戊酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟-1-庚烯、全氟代环己烷、1H,1H-全氟-1-庚醇、八氟环丁烷和全氟(甲基环己烷)的癌症特异性VOC的步骤。
在本发明中，所述测量步骤使用选自电子鼻、气相色谱-质谱仪(GC-MS)和气相色谱(GC)仪的仪器进行。另外，所述癌症可选自脑肿瘤、头颈癌、乳腺癌、甲状腺癌、肺癌、胃癌、肝癌、胰腺癌、小肠癌、结直肠癌、肾癌、前列腺癌、宫颈癌、子宫内膜癌和卵巢癌。
再一方面，本发明涉及一种通过分析呼出气中癌症特异性VOC的分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的电离片段诊断癌症的方法，所述方法包括以下步骤：(a)检测呼出气体中癌症特异性VOC的分子量为(i)69、(ii)131和(iii)181的电离片段；及(b)根据检测的结果获得癌症相关信息。
又一方面，本发明涉及一种诊断癌症的方法，所述方法包括测量从疑似患有癌症的患者收集的呼出气体中是否存在选自全氟癸酸、全氟戊酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟-1-庚烯、全氟代环己烷、1H,1H-全氟-1-庚醇、八氟环丁烷和全氟(甲基环己烷)的癌症特异性VOC的步骤。
实施例
下文，将参考实施例更加详细地描述本发明。对于本领域中的普通技术人员而言，显然这些实施例仅仅是为了说明的目的而非旨在限制本发明的范围。因此，本发明的实质性范围将由所附权利要求及其等效权利要求限定。
实施例1：从癌症患者取呼出气样品并用电子鼻分析呼出气样品
在手术之前立即从在建国大学医院乳腺癌中心(Breast Cancer Center ofKonkuk University Hospital)(韩国)诊断为乳腺癌并且未接受乳腺癌手术的住院患者中收集乳腺癌患者的呼出气。由RNL Bio的干细胞管理员从62名患者中收集乳腺癌患者的呼出气，并且从1,000名健康消费者中收集健康人员的呼出气。
与呼出气一样，通过使用呼吸取样袋(用于分析幽门螺杆菌(H.pylori)的0.5升呼吸取样袋，Otsuka Pharmaceutical Co.,Ltd.,Japan)从每名乳腺癌患者和健康人员中取肺泡呼吸部分的样品。选择通过其它诊断方法诊断为乳腺癌并且未进行乳腺癌手术的患者，作为要取呼出气样品的乳腺癌患者。使用电子鼻(SMart Nose 300,Smart Nose,Marin-Epagnier,Switzerland)分析呼吸取样袋内收集的呼出气，并且通过模式识别算法软件分析由电子鼻的传感器检测到的信号模式，从而分析癌症患者的呼吸样品和健康对照组的呼吸样品之间的模式差异。
100mL来自于每名乳腺癌患者和健康对照组的呼出气样品捕集到指数注射器内并且被吸附。
在电子鼻的入口温度为200℃的状态下，将吸附样品注入电子鼻内。为注射样品，氮气以230ml/min的流量运行。收集数据3分钟，并且在分析之后，进行吹洗3分钟。另外，样品之间的吹洗也进行3分钟。
用于分析的电子鼻(SMart Nose300,Smart Nose,Marin-Epagnier,Switzerland)具有与之连接的四极质谱仪(Balzers Instruments,Marin-Epagnier,Switzerland)。挥发性化合物在70eV下电离，并且使电离化合物通过四极滤质器180秒，之后按整数单位测量属于某一质量范围(10-200amu)的化合物以确定信道的数量。信道数量为190(10-200amu)。
图1示出了测量的结果。正如图1中可见，可以发现在健康对照组和乳腺癌组之间有差别的分子量值。有差别的分子量为51、63、69、79、93、101、113、129、131、147、151、161、181、199等。
为了找到具有以上分子量的片段(总的来说是在质谱分析中通过电子轰击或离子分子反应使样品电离时生成的并且具有一定质量/电荷(m/e)比的碎片离子、分子离子等的分子量)，通过GC-MS再次分析健康对照组和乳腺癌组中每一个的呼出气。
实施例2：乳腺癌患者呼出气的GC-MS分析
根据实施例1的方法在呼吸取样袋内收集的呼出气吸附至SPME(固相微萃取)纤维上20分钟，并且将吸附有呼出气的SPME纤维注入GC-MS(Shimadzu GC 2010,GCMSQP2010Plus)。GC中使用的烘箱程序如下：40℃下5min，以10℃/min的速率加热到300℃，然后在300℃下3min。使用的柱为HP-5％苯甲基硅氧烷(长度30m，内径0.25，厚度0.25μm)。柱压为57.4kPa，并且流量为1.11ml/min。另外，用于鉴定化合物的信息数据库为NIST/EPA/NIH。
图2示出了分析结果。正如其中可见，具体地在癌症患者的呼出气中检测到分子量为69、131和181的片段。
为了鉴定在GC-MS中检测为分子量为69、131和181的片段且存在于癌症患者的呼出气中的挥发性有机化合物，使用NIST/EPA/NIH分析挥发性有机化合物。结果，确定挥发性有机化合物是式1至式9中具有以下特征的化合物：
以上化合物具有以下特征：
1)全氟癸酸
分子量：C10HF19O2；
分子量：514.08；
CAS登记号：335-76-2；
式1
2)全氟戊酸
分子式：C5HF9O2；
分子量：264；
CAS登记号：2706-90-3；
式2
3)全氟壬酸
分子式：C9HF17O2；
分子量：464；
CAS登记号：375-95-1；
式3
4)全氟辛酸
分子式：C8HF15O2；
分子量：414；
CAS登记号：335-67-1；
式4
5)全氟-1-庚烯
分子式：C7F14；
分子量：350；
CAS登记号：355-63-5；
式5
6)全氟代环己烷
分子式：C6F12；
分子量：300；
CAS登记号：355-68-0；
式6
7)1H,1H-全氟-1-庚醇
分子式：C7H3F13；
分子量：350；
CAS登记号：375-82-6；
式7
8)八氟环丁烷
分子式：C4F8；
分子量：200；
CAS登记号：115-25-3；
式8
9)全氟(甲基环己烷)
分子式：C7F14；
分子量：350；
CAS登记号：355-02-2
式9
下面表1显示了通过GC-MS分析乳腺癌患者的呼出气并检测呼出气中分子量为69、131和181的片段进行的诊断乳腺癌的试验的结果。
表1：乳腺癌患者的盲测结果
试验结果 组织检查结果
盲测1 乳腺癌 FA(纤维腺瘤)
盲测2 乳腺癌 FA+肺癌
盲测3 乳腺癌 IDC新辅助治疗乳腺癌
盲测4 乳腺癌 FA(纤维腺瘤)
盲测5 乳腺癌 IDC乳腺癌
盲测6 健康 正常
盲测7 乳腺癌 IDC乳腺癌
盲测8 乳腺癌 FCC纤维性囊肿病
正如以上表1中可见，在健康人员中未检测到分子量为69、131和181的片段，但是在有乳腺癌或正发展为乳腺癌的患者中检测到。
实施例3：使用呼出气诊断甲状腺癌患者
通过GC-MS分析从首尔国立大学医院(Seoul National University Hospital)(韩国)收到的总共13个甲状腺癌患者的呼出气样品(3名男性和10名女性)，并且根据实施例2的方法测量所得片段的分子量。结果，证实在全部13个样品中均检测到分子量为69、131和181的片段(图4)。
工业实用性
如上所述，根据本发明，可通过使用取自癌症患者的呼出气以非侵入性方式，以高灵敏度在早期诊断出癌症。因此，本发明的癌症诊断方法与传统的癌症诊断方法相比，可以更有成本效益且更迅速的方式诊断癌症。
虽然已经根据具体特征详细描述了本发明，但是对于本领域中的技术人员而言，显而易见该描述仅仅针对优选实施方案并不限制本发明的范围。因此，本发明的实质性范围将由所附权利要求及其等效权利要求限定。

Claims (3)

1.用于检测癌症特异性挥发性有机化合物(VOC)电离片段的工具在制备用于诊断乳腺癌或甲状腺癌的产品中的用途，其中所述挥发性有机化合物(VOC)选自全氟癸酸、全氟戊酸、全氟壬酸、全氟辛酸、全氟-1-庚烯、全氟代环己烷、1H,1H-全氟-1-庚醇、八氟环丁烷、全氟(甲基环己烷)及其混合物。
2.根据权利要求1所述的用途，其中所述的呼出气体中挥发性有机化合物(VOC)电离片段使用选自电子鼻、气相色谱-质谱仪(GC-MS)和气相色谱(GC)仪的仪器进行检测。
3.根据权利要求1所述的用途，其中所述挥发性有机化合物(VOC)电离片段的分子量选自51、63、69、79、101、113、129、131、147、151、181和199。
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