临床研究 | 何英利/张淑婷：呼出气体分析技术在肝衰竭检测诊断中的应用进展_

临床研究 | 何英利/张淑婷：呼出气体分析技术在肝衰竭检测诊断中的应用进展

发布时间：2026-04-25

来源：中华肝脏病杂志

引用本文

张淑婷, 刘瑜珊, 何英利. 呼出气体分析技术在肝衰竭检测诊断中的应用进展[J]. 中华肝脏病杂志, 2026, 34(4):386-391. DOI: 10.3760/cma.j.cn501113-20250831-00355.

通信作者：何英利，西安交通大学第一附属医院感染科

专家简介

何英利教授

西安交通大学第一附属医院
博士生导师感染科主任
主任医师、教授、研究员、内科学博导、机械学博导
西安交通大学第一附属医院感染、肝病中心主任
国家重大传染病防治基地主任
国家传染病区域医疗中心主任
陕西省卫健委传染病创新平台主任
中华医学会细菌真菌感染耐药与防治分会委员
中国医院管理协会医院感染委员会常务委员
中国中西医结合学会传染病分会常委委员
长期从事“肝衰竭、干细胞、噬菌体”研究，主持国家自然科学基金5项，获“陕西省高等教学科技一等奖”（R1），陕西省科技一等奖（R3,R4）

摘要

呼出气体分析技术作为无创诊断的创新手段，近年来在肝脏疾病的检测与诊断中展现出重要潜力。现结合近年来相关文献系统梳理了呼出气体分析在肝衰竭领域的应用进展，包括挥发性有机化合物与肝脏病理的关联、当前主流技术（质谱法、电子鼻及光谱分析）的原理与优劣势、国内外呼出气体分析技术在肝衰竭早期预警及肝衰竭治疗后预后评估中的发展与应用情况、呼气分析技术面临的挑战及其未来应用情况。

正文

肝脏疾病在全球范围内造成了严重的健康和经济负担［1-2］，其早期隐匿性强，往往发展到晚期才具有明显症状，亟须有效的早期筛查与监测手段［3］。

肝衰竭是各类肝病进展的终末状态，指由于肝炎病毒、药物或乙醇等因素引发肝功能严重失代偿，出现以凝血功能障碍、黄疸、肝性脑病及腹水等为主要表现的严重肝病症候群［4］，可分为急性肝衰竭（acute liver failure，ALF）、亚急性肝衰竭、慢加急性（亚急性）肝衰竭［acute（subacute）-on-chronic liver failure，ACLF 或 SACLF］和慢性肝衰竭（chronic liver failure，CLF）4 类，其中 ACLF 伴有极高的短期病死率［5-6］。目前，肝衰竭的诊断及分级仍依赖病史、临床表现和辅助检查结果的综合分析，但传统的辅助检查手段存在各自的缺陷：肝活组织检查有出血风险且易出现采样误差，影像学检查依赖操作者和平台设备，血清标志物检查特异性不足且难以捕捉早期病变信号［7-9］，难以满足早期检测和大规模筛查的临床需求。

肝脏作为人体代谢核心器官，其功能状态变化直接反映于机体的代谢物谱中，ACLF 患者存在显著的代谢重编程［10］，可能产生特征性挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）。这些内源性 VOCs通过肝脏充足的血液循环运送至肺部，为无创检测提供了核心靶点。呼出气体分析技术可捕获人体呼气中与病理代谢直接相关的 VOCs，具备无创、快速、可连续监测的独特优势，目前已在肺部疾病、胃肠道疾病、代谢性疾病等多种疾病的检测中取得实质性进展，证明了其作为疾病识别工具的可行性［11-15］。表1展示了呼气分析技术在肝病诊断中的部分关键研究成果［16-19］。

本文旨在综述呼出气体分析技术在肝脏疾病检测中的应用，特别是其在肝衰竭检测诊断中的潜力和优势，梳理其在当前的研究进展、技术方法、面临的挑战以及其未来的发展方向。

一、

呼出气体分析的基础

1. 人体呼出气体的成分：人体呼出气体主要由氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气等常量成分及少量的 VOCs 组成。VOCs虽占比不足1%，但种类繁多，有1 488种［20］已被识别，浓度范围涵盖万亿分之一（ppt，10⁻¹²）至百万分之一（ppm，10⁻⁶）。VOCs 根据来源可分为外源性（环境摄入）和内源性（机体生理代谢产生）两种［13］，分析内源性VOCs的变化可以间接反映肝脏、肺脏、肾脏等器官的功能异常［16，18，21］。

2. 肝脏疾病呼出气体的特征：肝脏功能受损时，正常代谢物蓄积、异常代谢物产生，会在呼气中形成特征性 VOCs谱。其中，氨（NH3）、三甲胺（trimethylamine，TMA）、二甲基硫醚（dimethyl sulfide，DMS）和 d-柠檬烯等是肝病进程中的关键分子。呼吸氨被视为肝病潜在生物标志物［22］。健康肝脏通过尿素循环将氨转化为尿素排出体外，当肝脏受损时，尿素循环关键酶活性降低及门体静脉分流导致血氨蓄积［23］，呼气中氨水平随之升高，其检测对肝性脑病的监测价值可能优于血氨［24］。TMA 由肠道菌群分解胆碱产生，正常状态下经肝脏内黄素单加氧酶转化为三甲胺-N-氧化物后从尿液中排出［25］；肝功能障碍时，内黄素单加氧酶活性下降，未代谢的TMA通过门体分流进入体循环，最终随呼气排出［26］。DMS是肝病特征性“肝臭”味的核心物质：肝细胞胱硫醚γ-裂解酶催化含硫氨基酸生成的硫化氢（H2S），正常状态下经线粒体中的硫化物氧化单元代谢为硫酸盐等排出体外［27］。肝损伤时H2S呈“合成增加-清除减少”的双重失衡，过量H₂S经甲基化生成DMS并随呼气排出［18］。d-柠檬烯是肝病早期诊断的可靠标志物［15-16，28］：外源性摄入的柠檬烯主要依赖肝脏细胞色素 P450 酶（cytochrome P450，CYP）中的 CYP2C9 和CYP2C19进行代谢。肝病患者代谢酶含量和活性下降，无法有效降解该物质，导致呼气中柠檬烯在疾病早期即出现显著升高［29］。此外，肝病患者呼气中丙酮、3-羟基丁酸等酮体及烃类、醇类和醛类等浓度升高［30］，这些标志物虽具提示意义，但交叉性强（如丙酮也见于糖尿病［31］），需联合多标志物分析提升特异性。

二、

呼出气体分析的常用技术

目前，呼气分析的主流技术包括质谱技术、传感器技术和激光光谱技术［32-33］，其原理与应用特点如下。

1. 质谱技术：质谱技术通过电离气体分子、检测质荷比（m/z）实现组分定性定量。质谱分析仪结构如图1所示。呼气分析中常采用气相色谱-质谱联用技术（gas chromatogr-aphy mass spectrometry，GC-MS）。该技术先用气相色谱分离混合气体组分，再通过质谱逐一分析各组分的分子量，从而精准识别 VOCs 种类和浓度［34］。GC-MS 具有高灵敏度、高分辨率和高选择性等优点，是VOCs分析的金标准；但其样品预处理要求严格，分析成本较高［35-36］。在肝病领域，GC-MS检测发现二甲基硫醚与d-柠檬烯组合可用于非酒精性脂肪性肝病患者的分层诊断，受试者操作特征曲线下面积（area under the curve，AUC）达0.98［18］。

2. 电子鼻（e-nose）：电子鼻是一种模拟人体嗅觉系统的智能传感检测设备（图 2），核心为多通道气体敏感传感器阵列，可通过捕获 VOCs 与传感器作用时产生的电信号变化，经算法构建“气体指纹”，实现不同疾病状态的区分［22］。该技术可直接识别 VOCs 组合模式，具有便携、快速出结果和低成本的优势，但易受环境因素干扰，且无法实现单一组分的精确定性定量［37］。临床研究显示，电子鼻区分非酒精性脂肪性肝病患者与健康对照者的交叉验证准确率达96%［38］，区分肝硬化患者和健康对照的AUC达0.999［39］。

3. 激光光谱技术：激光光谱技术通过特定波长激光与气体分子的相互作用（吸收、散射等）形成“分子指纹”光谱，实现痕量气体的定量检测。常用技术有表面增强拉曼光谱、石英增强光声光谱（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy， QEPAS）等［40-41］。其中QEPAS技术借助石英音叉的高共振与抗干扰特性，通过特定波段激光激发的光声信号转换，实现高灵敏检测。激光光谱技术具有高灵敏度、高选择性、实时在线分析的优点，但存在成本较高、操作复杂等缺点［42］。K 等［43］基于 QEPAS 技术构建的呼气检测系统，可同时测量呼气中的丙酮和氨水平，其对肝病患者呼气氨的检测结果与血液指标及GC检测结果基本一致。

综上所述，质谱法精度高但流程复杂，电子鼻便携性强但灵敏度欠佳，光谱技术兼顾了实时性与成本，是最有希望实现大规模临床应用的技术，未来需融合多技术优势以实现更精准、高效的呼气分析。

三、

呼气分析技术的临床应用

呼出气体分析技术通过检测VOCs的浓度变化，为肝脏疾病的早期诊断和实时监测提供了无创手段［11］。现有研究结果表明，呼气 VOCs 能够反映肝脏从代谢异常、炎症到纤维化的渐进性病理改变［18，44］，而肝衰竭代谢紊乱更为剧烈和复杂，理论上可能产生更具特征的呼气 VOCs 谱，为利用呼气分析进行无创诊断与预后评估提供了独特窗口。

1. 肝衰竭的早期检测与分型：在 ALF 基础研究领域，Wlodzimirow等［45］通过“门腔静脉分流术+肝动脉与胆总管结扎”两步手术法构建大鼠完全肝缺血（liver ischemia，LIS）ALF 模型，采用电子鼻结合 GC-MS 分析 14 只大鼠健康、门腔静脉分流术术后及LIS三阶段的呼气样本。结果显示，ALF进展3 h后，电子鼻区分ALF与健康大鼠准确率达96%，联合CO2传感器可将检测窗口期缩短至2 h；同时鉴定出 2-丁醇、2-丁酮等升高，及 DMS、己烷等差异标志物，提示电子鼻技术可用于区分 ALF 大鼠与健康大鼠，但该研究未排除手术创伤对呼气代谢谱的干扰。

临床研究方面，东华理工大学江西省质谱科学与仪器重点实验室团队与南昌大学第一附属医院的邬小萍团队合作，基于电喷雾萃取电离质谱（extractive electrospray ionization mass spectrometry，EESI-MS）技术在 ACLF 和 CLF 领域开展了一系列研究：李鹏辉［46］收集多批次样本验证，发现CLF患者呼气中三甲胺、丁酮和二甲基乙醇胺差异明显，模型分类准确率为0.96±0.04；李巍［47］鉴定出异丁烯、丙酮等 10 种标志性化合物，且化合物分子质量与肝衰竭严重程度呈正相关；Wu等［48］报道肝衰竭患者的呼气样本与健康对照者相比，有8种显著差异代谢物；与慢性乙型肝炎患者相比，有2种显著差异代谢物；而CLF与ACLF患者的呼气代谢谱差异无统计学意义。但上述研究均为同一单中心样本，结论价值有限。Li等［49］同样基于 EESI-MS技术鉴定出 2-羟基乙醛、2-甲基丙烯等9种新的呼吸标志物，并进一步分析了色氨酸代谢、酪氨酸代谢等与肝病相关的代谢途径。除EESI-MS技术外，王仲霞等［50］用全二维气相色谱-飞行时间质谱（comprehensive two-dimensional gas chromatography tandem time-of-flight mass spectrometry，GC×GC-TOF-MS）技术，对比分析乙型肝炎失代偿期肝硬化患者和乙型肝炎所致CLF患者的呼出气体冷凝物，发现十二烷醇可有效鉴别两者，AUC达0.825，模型灵敏度77.8%，特异度99.2%。

总体而言，相关研究主要聚焦于 ACLF及 CLF患者，且多处于探索阶段，仅初步构建了肝衰竭呼气VOCs标志物谱系，仍需进一步扩展应用场景。随着《肝衰竭诊治指南》等国内外共识不断更新，肝衰竭的定义和分型日趋统一，将为今后呼气 VOCs 研究的标准化和跨中心验证提供更为统一的标准。

2. 肝衰竭患者治疗后预后评估：肝衰竭的动态预后评估有助于及时判断病情变化，常用预后工具包括终末期肝病模型（model for end-stage liver disease，MELD）、MELD联合血清Na（MELD-Na）等。28、90 d生存情况是患者长期预后的关键时间点［51］。

李承木［52］检测 94例肝衰竭患者（早期 45例、中期 47例、晚期2例）的呼出气体，筛选出丁酰胺等可区分28 d预后好坏的差异代谢物，且呼气分析可区分早期和中期肝衰竭患者。Jing等［53］采用液相色谱-质谱技术分析 ACLF患者的呼出气体冷凝物代谢物，筛选出 41种潜在生物标志物，并构建了由磷脂酰乙醇胺等4种代谢物组成的新型预后预测模型，其在预测患者临床转归方面的判别效能优于 MELD 及MELD-Na评分。但该研究缺乏外部验证队列，模型普适性待考证。

在终末期肝病手术治疗领域，Fernández del Río等［54］运用质子转移反应质谱技术开展纵向研究，发现肝移植术后患者呼气柠檬烯呈现与临床预后相关的动态递减趋势，而甲醇、2-丁酮等4种VOCs在移植后早期即恢复至生理水平，提示柠檬烯的时序性变化可作为评估肝移植术后预后的潜在标志物。但研究未排除免疫抑制剂对代谢谱的影响，仍需更多临床数据支撑。Cresci 等［55］采用选择离子流动管质谱技术分析肝移植患者术前及术后 3、6、12 个月的呼气，发现多种肝病相关 VOCs 与肠道菌群存在显著相关性，提示呼气 VOCs 或可作为肝移植患者菌群紊乱和肝移植物完整性的无创标志物。人工肝治疗方面，朱滢［56］基于 EESI-MS技术，筛选出3-甲基环戊烯、丁酰胺等肝衰竭患者人工肝治疗前后的差异代谢物。这些发现为临床预后分层管理提供了潜在依据。

表 2 汇总了上述研究中报道的肝衰竭潜在呼气生物标志物。

四、

总结与展望

呼出气体分析技术通过无创捕获肝衰竭相关 VOCs 的动态变化情况，为肝衰竭的早期识别和预后评估提供了潜在补充手段。该技术或可弥补现有依赖生物化学指标评分系统在实时性和代谢维度上的局限，为肝衰竭的全程管理提供新的决策依据。然而，该领域仍面临多重挑战：第一，研究规模与设计受限。现有证据多为单中心、小样本探索，缺乏国际多中心大样本队列验证，结论外推性有限。第二，临床相关性模糊。不同研究对肝衰竭的定义、分型分级标准不统一，多数未遵循最新指南规范，影响了标志物应用的准确性。第三，核心标志物未标准化。不同研究报道的差异 VOCs 重叠度低，尚未建立跨平台、可重复的分子标志物组合模式。

呼气分析在其他医学专业领域的转化进展，为该技术在肝病领域的研究提供了参考范式。未来研究需聚焦核心痛点突破：首先，遵循国内外最新指南和专家共识，统一研究的纳入标准。其次，开展前瞻性、大样本、多中心队列研究，验证并标准化呼气VOCs标志物，筛选出高特异度和灵敏度的 VOCs 组合，探索其与现有预后评分系统的整合价值。第三，探索构建“传感器初筛-质谱验证-光谱实时监测”的多模态检测体系，开发抗干扰能力强的床旁/便携式检测设备，加速临床转化。

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来源：临床肝胆病杂志

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