呼吸检测成为监测微生物组健康的新工具
2026年1月23日
人类肠道栖息着数以万亿计的有益微生物，对健康起着重要作用。虽然肠道菌群（细菌和病毒组成的精密生态系统）紊乱已被证实与肥胖、哮喘、癌症等疾病相关，但目前仍缺乏能快速诊断菌群变化并指导治疗的工具。
圣路易斯华盛顿大学医学院（WashU Medicine）与费城儿童医院的研究人员近日发现，肠道中与疾病相关的细菌可通过呼气检测被识别。他们证实，肠道微生物释放的化学物质以挥发性有机化合物（VOCs）形式存在于儿童和小鼠的呼出气体中，这些物质能揭示肠道内细菌的组成情况。研究还表明，哮喘患儿的呼气样本可预测某种与该疾病关联的细菌存在。
研究者认为，该发现有望推动开发一种仅需向设备呼气即可快速监测和诊断肠道健康问题的无创检测方法。“快速评估肠道微生物组健康状况将显著提升临床诊疗水平，尤其对儿童群体至关重要，”圣路易斯华盛顿大学医学院医学系副教授安德鲁·L·考（Andrew L. Kau）医学博士/哲学博士表示，“早期检测可为过敏症和早产儿严重细菌感染等疾病提供及时干预机会。本研究为开发此类关键诊断工具奠定了基础。”
发表在《细胞代谢》期刊的论文《肠道微生物群塑造人类与小鼠呼吸挥发物组》中，资深作者考及其团队总结道：“我们的研究识别出呼气中的微生物源性VOCs，证实肠道细菌代谢直接贡献于哺乳动物呼气VOC谱型，并为开发无创式微生物组诊断工具提供依据。”论文第一作者为圣路易斯华盛顿大学医学院MD/PhD学生阿里尔·J·埃尔南德斯-莱瓦（Ariel J. Hernandez-Leyva），共同通讯作者为费城儿童医院儿科传染病斯坦利·普洛特金讲席教授奥黛丽·R·奥多姆·约翰（Audrey R. Odom John）医学博士/哲学博士。
“医疗决策通常依赖与疾病状态相关的生物标志物，这些标志物提供预后或诊断信息，”作者在论文中指出，“尽管许多临床生物标志物需通过侵入性采样获取，但呼出气体代表了一种潜在的非侵入式生物标志物识别途径。呼气检测具有易获取特性，其包含的多样化化合物丰度与人类健康密切相关。”
除人体自身产生的VOCs外，微生物消化人体无法分解的食物时也会释放VOCs，并通过呼气排出体外。“除人体内源性产生的化合物外，人类排放的多种VOCs源自定植微生物的代谢过程，”作者强调。考及其团队由此探究呼气中的化合物类型是否有助于识别肠道微生物组的细菌组成。
为验证该假设，埃尔南德斯-莱瓦团队在圣路易斯华盛顿大学医学院开展了一项针对6至12岁儿童的临床研究。研究人员分别分析27名健康儿童的呼气样本（检测微生物源性化合物）和粪便样本（检测肠道微生物），以确定特定微生物与呼气化合物的关联。
团队发现，儿童呼气中的化合物与粪便样本中微生物已知产生的化合物相匹配，证实呼气可有效反映肠道微生物群落状态。“在健康儿童中，我们通过气相色谱-质谱法评估的呼气VOC组成（即挥发物组）与肠道微生物组组成及功能显著相关，”研究者写道。团队在小鼠实验中获得相似结果：将人类样本细菌移植到无自身肠道微生物的无菌小鼠体内后，再次证实可通过呼气化合物识别肠道细菌。“通过对移植人类粪便的无菌小鼠及单一菌株定植无菌小鼠的呼气进行捕获分析，我们发现小鼠呼气同样显著受肠道微生物组影响。”
研究人员还将健康儿童与哮喘患儿的呼气及粪便样本进行对比。影响近五百万美国儿童的儿科哮喘，与肠道中西拉伊氏优杆菌（Eubacterium siraeum）丰度升高相关。通过呼气分析，他们成功预测了哮喘患儿体内该菌的丰度。“尽管样本量有限且存在潜在干扰因素，我们仍确认了西拉伊氏优杆菌与哮喘患者间既往描述的关联，并阐明了可能预测其肠道丰度的呼气VOC变化特征。”
作者指出，此类关于西拉伊氏优杆菌丰度的信息对发现可能加剧哮喘症状的微生物组早期变化具有重要价值。类似地，对早产儿常规开展基于呼气的微生物组健康筛查，或可识别预示感染的发育中菌群紊乱。
本研究结果将助力开发无创式微生物组呼气检测工具。圣路易斯华盛顿大学医学院研究人员此前已开发出多种微生物呼气检测技术，包括可在一分钟内检测新冠病毒的设备。“将微生物组知识整合到临床护理的关键障碍之一，在于分析微生物组数据所需的时间，”埃尔南德斯-莱瓦表示，“呼气分析提供了一种前景广阔的无创方式来探测肠道微生物组，有望彻底改变医学诊断模式。”研究团队在论文中总结道：“这些实验证实肠道微生物群有助于塑造宿主呼气VOC谱型，并建立了进一步探究肠道微生物群与呼气生物标志物关系的模型……随着对特定肠道分类群与呼气VOCs关系的深入理解，呼吸组学最终将发展为强大的诊断工具，助力快速、无创地评估肠道微生物群健康与疾病状态。”
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