这项研究创建了一种方法，可以正确识别插管小鼠模型呼气中的挥发性有机化合物（VOCs）。该方法旨在使用气相色谱-质谱法（GC-MS）可靠地分析健康插管小鼠呼气中的VOCs，并将其与系统空白样品和人体呼气中检测到的VOCs进行比较。
摘要
- 在小鼠呼气中发现了472种化学物质。
- 使用三个定量标准，15.47%的化学物质被检测为“呼气”，从而区分了背景污染物。
- 小鼠和人类呼气中共有49种相似的VOCs。
- 共同存在于人类和小鼠呼气中的VOCs已与生物学功能相关联。
引言
呼出气体中含有来自体内生物活动的挥发性有机化合物（VOCs），使其可能成为治疗用途的生物标志物。呼气生物标志物已在广泛的疾病领域中得到鉴定，显示出其作为下一代非侵入性诊断和监测工具的巨大潜力。然而，由于呼吸研究文献中缺乏统一的技术和质量标准，这些生物标志物转化为临床使用的呼吸测试仍然有限。一种可靠的动物模型预临床呼吸分析方法将有助于解决这些问题。
建立一个使用小鼠在受控实验室环境中作为人类呼气替代品的呼吸分析方法，可以减少人类研究中观察到的不可预测性和问题，同时更深入地了解呼吸作为采样介质。这将加速用于治疗应用的呼吸生物标志物的识别和验证。
泰勒等人最近建立了一种方法，可以正确识别健康插管小鼠呼气中的VOCs，并将其与系统空白样品和人体呼气中发现的VOCs进行比较。
方法
小鼠呼气采样
本研究使用雄性C57BL/6JRj小鼠采集呼气样本。小鼠呼气采样系统是在标准flexiVent® FX1小型动物呼吸机的基础上改进而成。该研究通过柔性软管和吸附管将环境过滤器和flexiVent过滤器连接到呼吸机上进行呼气采集。
在四天内，从插管小鼠处采集了15个呼气样本。每只小鼠通风45分钟以收集VOC空气，每隔两分钟进行一次彻底的肺膨胀过程。这产生了大约1.8升的呼气。
为了实现最佳的非靶向分析，需要一个干净的背景，以最大化信噪比，便于更容易识别感兴趣的VOCs。在采集小鼠呼气之前，采集了15个系统空白样品。系统空白样品的采集方法与小鼠呼气采样相同。为了跟踪环境污染，在每天开始和结束时在同一房间采集环境空白样品。
人体呼气采样
共招募了13名健康志愿者，每位受试者使用ReCIVA®呼气采样器提交了一个单次呼气样本，以及同时采集的配对系统空白样本。这区分了呼气中的化学物质与系统背景中的化学物质。
呼气分析
使用Breath Biopsy® OMNI®分析方法，包括高分辨率热脱附气相色谱和精确质量质谱（TD-GC-MS），来分析小鼠和人体呼气样本。
数据分析
之前曾使用三种度量标准来区分呼气和背景VOCs，本研究也使用它们来评估呼气采样方法的性能能力。这些度量标准分为第一类（标准差）、第二类（配对t检验）和第三类（ROC-AUC）。
结果
识别呼气化合物
在小鼠呼气中总共发现了472个分子特征。使用三种度量标准来区分呼气中的物质与背景空气中的物质。使用所有三种度量标准，第一类发现了21种呼气化学物质，第二类发现了30种，第三类发现了56种。
这三种度量标准检测到的化合物显著重叠，导致根据定义的严格程度不同，在小鼠中发现了15-66种呼气VOCs。结合的度量标准增加了检测到潜在有用VOCs的可能性，提高了结果的可信度。
比较小鼠数据与人体呼气数据
为了确定小鼠呼气VOCs向人体VOCs的可转移性，使用相同的三种度量标准计算了人体呼气中的呼气VOCs数量。总共在人体和小鼠呼气中发现了49种呼气VOCs。
这些化学物质大多数与肠道微生物群或植物有关。例如，二甲基砜和三甲胺（TMA）。某些分子似乎特定于小鼠或人类呼气；例如，亚硝酸甲酯和2-丁醇仅出现在小鼠的呼气中。
讨论
使用动物模型进行呼气生物标志物鉴定可以使研究更加可控，减少个体差异、食物和其他环境因素的影响。较低的假阳性生物标志物发现概率加快了有希望的生物标志物在临床试验中的验证速度。
现有文献已经证明了小鼠模型用于呼气VOC研究的可行性，但研究数量有限。本研究的结果表明，三种通常与环境来源相关的外源性VOCs——二甲苯、甲苯和苯乙烯——未被识别为呼气化合物。这表明本研究中采用的呼气采集方法和分析策略排除了这些环境化学物质。
本研究还调查了在小鼠中检测到的呼气VOCs向人体呼气VOCs的可能可转移性。在所有度量标准下，人类呼气中分类为呼气VOCs的数量多于小鼠。鉴于小鼠和人类之间相对体型、肺容量和环境暴露的差异，这是可以预料的。尽管存在差异，但仍有49种呼气VOCs由人类和小鼠共享，其中一些分子来自微生物群。这具有重要意义，因为这些挥发性化学物质是研究微生物群与疾病复杂相互作用的科学候选对象。
某些常见于人类和小鼠呼气中的VOCs的存在表明，可以利用动物模型研究与疾病相关的挥发性化学物质，以供人类临床研究。这种策略为将预临床小鼠模型的数据转化为临床人类研究提供了有前途的途径。
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