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人體呼氣檢測在胸腔醫學之應用─以氣喘為例

人體呼氣檢測在胸腔醫學之應用以氣喘為例 

呼照系 萬國華助理教授  

  氣喘是一種高罹病率和死亡率的慢性炎症。其病因與家族遺傳史、食物、氣候、空氣污染物、氧化壓力、環境過敏原 ( 如真菌、塵 ) 及有機粉塵 ( 如內毒素  ( Endotoxin ) 、β-1,3-D-glucan ) 有關。根據統計發現:美國及臺灣的氣喘盛行率均有上升趨勢。其中臺灣在民國 83年時,7歲至 15歲學童之氣喘盛行率為 10.49%;民國 84年時,臺北市國中學生的氣喘盛行率高達 13%,疑似氣喘率為 19.3%,全國國中學生氣喘盛行率為 8.8%。根據中央健康保險局的統計資料顯示:臺灣 1歲至 17歲的氣喘患者約佔所有氣喘個案的 38%,每位氣喘患者每次急診的平均費用為 1,401元。由此可知氣喘病不僅會造成社會資源的龐大負擔,也會對於學齡期的兒童及青少年的身心健康造成困擾,並影響課業學習效果。因此,氣喘病是一個值得大眾重視的醫療及公共衛生課題。

  目前臨床醫師利用氣喘患者的臨床徵候和症狀,以及肺功能測試結果 ( 如尖峰呼氣流量、用力肺活量、用力呼氣容積 ) 加以評估氣喘的嚴重程度,其中氣喘症狀的評估,會因為醫療人員的認知差異及支氣管擴張劑的使用,而無法準確評估氣喘的嚴重程度與呼吸道的發炎程度;而肺功能的測定僅能間接測量氣喘患者的呼吸道口徑,並無法真正瞭解呼吸道是否產生發炎反應。為了準確評估呼吸道患者下呼吸道的發炎狀況,臨床上可利用支氣管鏡檢 ( Bronchoscopy ) 的技術,進行肺組織及肺沖洗液 ( Bronchoalveolar lavage ) 的取樣及分析;但是這樣的侵入性技術非但不適合用於小孩及重症病人,而且也不適合做為醫師臨床常規的檢查;此外,臨床病人可吸入高張的生理食鹽水溶液,以刺激咳嗽反應並產生痰液,藉以瞭解病人呼吸道的發炎情形,但是這種方法相當耗時,且無法在短時間內重覆測試,所以也不適用於幼童。基於上述方法在評估氣喘患者呼吸道發炎反應變化上有所限制,因此,近年來已有臨床研究使用非侵入性且方便執行的呼氣檢測技術,做為常規性評估氣喘患者呼吸道發炎反應的監測方法。

  人體的呼氣 ( Exhaled gas ) 成份可分為氣相和液相兩類,其中氣相成份包括一氧化氮 ( Nitric oxide ) 和一氧化碳;而液相成份,即呼氣濃縮物 ( Exhaled breath condensate ) 方面,則包括發炎性媒介物 ( 前列腺素、淋巴素、Thromboxane、Isoprostanes ) 、細胞激素 ( IL-1,IL-2,IL-6, TNF-α ) 和氧化物質 ( 過氧化氫 ) 等。以下針對人體呼氣的成分及其來源分別說明如下:

一、氣相的一氧化氮氣體:

  人體內生性一氧化氮氣體,是由一氧化氮合成酶 ( Nitric oxide synthase; NOS ) 在進行氨基酸L-arginine 轉換至 L-citrulline 的過程中所產生的。一氧化氮合成酶分為 Neuronal NOS ( nNOS ; NOS1 ) 、inducible NOS ( iNOS;NOS2 ) 和 endothelial NOS ( eNOS; NOS3 ) 三種,其中 nNOS 和 eNOS 可製造微量 ( Picomolar ) 的一氧化氮氣體,在生理過程中扮演恆定的角色,而 iNOS 在發炎部位可產生大量 ( Nanomolar ) 的一氧化氮氣體,藉由人體呼氣的過程排出體外,為呼吸道發炎反應的重要指標氣體。iNOS 不僅可由呼吸道上皮細胞產生,亦可由肺泡巨噬細胞、嗜酸性白血球和其他發炎細胞產生。根據研究顯示:氣喘患者呼吸道上皮細胞的 iNOS mRNA 和蛋白質的表現量高於正常人。另外呼氣一氧化氮的濃度,會受到外在因素的影響而升高,包括藥物 ( 如 Papaverin ) 、富含硝酸鹽及亞硝酸鹽的食物、空氣污染、職業暴露 ( 如二氧化氯、甲醛 ) 及上呼吸道感染等;也會受到外在因素的影響而下降,包括藥物 ( NOS 抑制劑 ) 、運動、月經週期變化、體溫下降、 環境暴露 ( 如吸入 100%氧氣、二氧化碳 ) 與生活習慣 ( 如抽煙、喝酒 ) 等。

  大部份的研究指出,氣喘成人的吐氣一氧化氮濃度 ( 30~ 60 ppb ) 高於健康成人 ( 5~20 ppb ) 。2005年一項義大利研究顯示:7~18歲因為運動引起支氣管收縮 ( Exercise-induced bronchoconstriction;EIB ) 的氣喘孩童 ( 57.5 ppb ) 及非運動引起支氣管收縮 ( Non-EIB ) 的氣喘孩童 ( 29.5 ppb ) 之呼氣一氧化氮濃度,均高於健康孩童 ( 8.8 ppb ) 。此外,在 15名 6~16 歲的氣喘孩童中,發現他們在急性惡化期時的呼氣一氧化氮濃度 ( 34.7 ppb ) 明顯高於使用 Prednisone 治療五天後的呼氣一氧化氮濃度 ( 16.9 ppb )  ( p < 0.001 ) 。2003年義大利一項針對 9~11 歲的孩童進行的呼氣研究指出:未使用類固醇 ( 49.2 ±9.6 ppb ) 或使用類固醇 ( 37.8 ±6.6 ppb ) 的氣喘孩童的呼氣一氧化氮濃度,均明顯高於健康孩童的呼氣一氧化氮濃度 ( 15.2 ±1.7 ppb )  ( p < 0.05 ) 。截至目前為止,有關氣喘孩童呼氣一氧化氮濃度的研究,大多著重在臨床用藥前與用藥後的比較。

二、液相的呼氣濃縮物:

  人體呼氣包含水蒸氣和微小液滴,其組成是呼吸道內襯液體 ( Airway lining fluid ) 。呼氣中揮發性和非揮發性物質之收集方法,可經由冷卻過程將呼氣中的水蒸氣和微小液滴予以收集,並形成呼氣濃縮物後,以便於日後的成分分析;由於呼氣濃縮物的收集是非侵入性的方法,因此對兒童而言特別容易執行。

  呼氣濃縮物中的數種化合物如細胞激素等,可做為肺部疾病的生物指標 (  Biomarkers  ) 。Hunt等人在 2000年的研究指出:呼氣濃縮物的酸鹼度測量可做為孩童氣喘急性惡化的指標,建議以測量呼氣濃縮物酸鹼度來瞭解氣喘病患呼吸道的酸鹼平衡狀態。Kostikas 等人在 2002年的研究指出:氣喘成人的呼氣濃縮物酸鹼度低於健康人,且呼氣濃縮物酸鹼度與誘發痰液中的發炎細胞量有關。此外,穩定的慢性阻塞肺病、支氣管擴張和中度氣喘、急性氣喘惡化與囊狀纖維性病變 ( cystic fibrosis ) 等患者,測出的呼氣濃縮物酸鹼度也較低。2005年美國一項針對 6~15 歲孩童的研究指出:不論是有類固醇治療 ( pH=7.70 )  ( p < 0.01 ) 或沒有類固醇治療 ( pH=7.53 )  ( p < 0.001 ) 的氣喘孩童之呼氣濃縮物酸鹼度均明顯低於健康孩童 ( pH=7.85 ) 。

  由於非侵入性的呼氣檢測方法,包括氣相及液相 ( 即呼氣濃縮物 ) 的成分分析,可用以評估肺部疾病患者呼吸道的發炎情形。因此,未來可應用該項技術於呼吸照護相關領域的研究。  

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