中国呼气检测行业发展蓝皮书

二零二四年七月 www.frostchina.com版权所有©2024弗若斯特沙利文 ◼人体呼出气体蕴含全面的身体状况信息，在健康监测及疾病诊断方面的临床应用广阔 ◼摘要 大多数传统的诊断手段具有耗时的局限性，且无论是简单的血液分析还是复杂的组织活检，均存在一定的侵入性和有创性，往往给患者带来不适感和疼痛。在这样的背景下，呼出气分析技术，凭借其无创、无痛和低成本的特点逐渐受到了广泛的关注，通过分析呼出气体的成分以及含量等参数，可以了解和评估患者的生理和病理状态，为疾病的诊断和治疗提供有力的支持。呼气检测技术的应用已广泛覆盖至营养与代谢疾病诊断、感染诊断、肿瘤诊断、肺功能诊断等十余个领域。随着对人体呼出气成分的复杂性和呼气分析中特征性标志物的产生机理及其临床意义有更为清晰的认识，正为呼气检测技术在更多疾病领域的临床应用开辟广阔的可能性。 呼出气是人体重要的代谢产物，呼吸代谢组学可以深入了解人体的所有代谢过程，在代谢水平上研究机体生理和病理状态，从而了解更加全面的身体状况信息。从样本维度来看，呼气检测正逐步成为血液检验、尿液检验、粪便检验之外的第四类检测手段。作为新兴的体外诊断POCT领域，呼气检测凭借安全无创、简单便捷的特点，是目前临床疾病无创诊断与人体代谢监测领域研究的热点。 ◼呼出气检测技术正处于持续迭代中，国产厂商积极推动呼气检测技术革新 呼气检测技术的发展起始于对疾病标志物的验证、研究与确立，从而构建起呼出气与各类疾病之间的内在联系。在确定疾病标志物之后，需针对关键的疾病标志物研发与之精准匹配的分析技术，以实现对呼出气成分的定性和定量分析。然而，追求高质量、标准化的呼吸采样及分析检测存在着诸多实践挑战，从样品的采集、预处理流程，到开发具备高灵敏度、高分辨率以及高通量的分析仪器，每一个步骤均处于迭代升级中。此外，小型化、微型化、智能化是目前的研发重点，不仅是技术革新的必然趋势，也是为了满足市场对于低成本和便携性的迫切需求。当前，国产厂商在呼气检测领域展现出了领先的技术能力和创新精神，研发实力已跻身世界前列，推动呼气检测技术在全球范围内实现临床上的广泛应用。 ◼目录 第一章呼气检测的行业总览 ------------------------------------------06------------------------------------------07------------------------------------------08------------------------------------------10------------------------------------------12------------------------------------------13------------------------------------------16------------------------------------------21------------------------------------------27------------------------------------------33------------------------------------------38------------------------------------------38------------------------------------------40------------------------------------------42 •呼气检测行业的介绍•呼气检测行业的发展历程•呼气检测的细分类别 •呼气检测的应用领域第二章呼气检测的技术概览 •呼出气采集和储存技术•呼出气检测技术 第三章呼气检测的临床应用 •二氧化碳（13/14CO2）•一氧化氮（NO）•氢/甲烷（H2/CH4） •疾病领域举例——肺癌第四章呼气检测行业的资本市场表现 •全球呼气检测行业资本市场表现•中国呼气检测行业资本市场表现 第五章呼气检测行业发展驱动力及趋势 •呼气检测行业发展驱动力•呼气检测行业发展趋势 ◼目录 第六章部分呼气检测行业公司介绍 •部分呼气检测公司介绍 ◆文献来源◆法律声明◆致谢 第一章呼气检测的行业总览 ◼呼气检测行业的介绍 人体呼出气作为代谢组学的媒介，蕴含全面的身体状况信息，呼气检测作为一种无创诊断技术，能够评估人体的健康状况并进行疾病诊断 ◼人体呼吸过程 呼吸是人体与外界环境进行气体交换的过程，人体呼吸分为吸气和呼气过程。吸气使外部环境空气与肺泡内血液空气屏障处的内部环境交换，外源性化合物扩散到血液后几乎与人体的每个组织接触，人体代谢产物通过血液到达肺部，在肺部进行物质交换。呼气过程中，外源性化合物和反映内部身体状况的内源性化合物从血液扩散到呼吸中，通过呼气排出体外。 大多数呼出气成分是外源性的，通过呼吸道和消化道等途径进入机体，主要源于环境污染物吸入、饮食摄入和药物代谢等，可以用于反应外界因素对人体健康的影响。而内源性气体，可以是宿主生理代谢过程的产物，也可以是微生物病原体代谢过程的产物，或者是宿主对诸如感染或炎症等过程的病理反应性产物。因而，当发生从健康状态到病理状态的转变时，内源性气体的检测能够用于疾病诊断和监测。 ◼呼气检测的介绍 呼出气是人体重要的代谢产物，呼气代谢组学可以通过深入了解人体的代谢过程，从而获知全面的身体状况信息。从组成成分来看，人体的呼出气主要包括氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气、惰性气体和数千种微量挥发性有机化合物（VOC）和无机分子如一氧化氮、氨气和一氧化碳等。 机体在基因组、蛋白质组和转录组层面上的变化，可以敏锐地通过代谢产物的变化来反映。呼气代谢组学研究利用高通量手段对呼出气进行系统分析，从而找出潜在的疾病生物标志物，阐述相关的代谢路径，探讨应用于疾病诊断的可行方式。 近年来，呼出气中气体的种类及含量的变化被发现与多种疾病存在关联，并逐步推进至临床应用中，如在胃肠疾病诊断、幽门螺杆菌检测。呼气检测技术对呼气成分进行直接测定或测定摄入特定化合物后呼气中的标志性气体，从而实现人体的健康状况评估和疾病诊断，其主要的应用目标包括以下几种： ◼呼气检测行业的发展历程 通过呼气检测辅助疾病诊断的历史源远流长，随着现代化的呼气代谢组学以及呼吸分析技术的出现，人体呼出气成分与疾病的关系逐渐明朗 ◼呼气检测行业的发展历程 呼气诊断疾病的历史可以追溯至古代中国和古希腊。在中国古代，中医凭借丰富的经验，通过观察患者口腔、分泌物以及痰液等散发的气味，辨识出患者体内虚实寒热的状况，进而判断病情。在古希腊，这种以呼气为线索的诊断方法可以起始于医学之父希波克拉底的时代，即公元前460年至370年之间。希波克拉底教导他的学生们，通过细心嗅闻病人呼出的气息，可以洞察疾病的奥秘。例如，腐烂的苹果味可能预示着糖尿病酮症酸中毒，尿液的特殊气味可能是肾功能衰竭的信号。 酒精呼气试验的雏形可追溯至20世纪50年代初，这一创新引发了众多与科学研究紧密相连的疑问与探讨。1950年，Harger等人在权威医学期刊《实验室临床医学》中介绍了一种用于测定血液酒精浓度的呼吸取样装置，为后续的酒精检测研究奠定了基石。随后，在1961年，Borkenstein和Smith在《医学科学法》杂志上发表了关于将呼气酒精浓度测试应用于法医学的报告，进一步拓宽了呼气试验的应用领域。 进入20世纪70年代，氢呼气试验开始崭露头角，成为诊断乳糖不耐症的新方法。其中，1975年Newcomer等人的研究尤为引人注目。他们通过分析呼气中氢和二氧化碳标记的乳糖与血糖，深入研究了乳糖吸收不良的问题，并揭示了氢呼气试验在检测乳糖吸收不良方面的显著优势。1978年，Bond和Levitt通过研究发现，某些双糖在消化过程中未能完全破坏和吸收，进而改变了呼出空气中氢的浓度，进一步证实了氢呼气试验在诊断乳糖吸收不良或不耐症方面的有效性。随着时间的推移，氢呼气试验逐渐取代了传统的血液试验，成为诊断乳糖吸收不良或不耐症的首选无创检查方法。此外，氢呼气试验还被应用于诊断其他碳水化合物吸收不良和不耐症，以及小肠细菌过度生长和口盲传输时间等问题。 与此同时，现代呼出气分析研究也在不断推进。1971年，Pauling等人通过气相色谱技术发现人呼出气体中包含上百种痕量挥发性有机物，这些物质有潜力成为评估身体健康和疾病的生物标志物，为后续的呼气检测研究提供了新的方向。进入20世纪90年代，Phillips等人采用类似方法确定了肺癌患者呼出气体中的22种VOCs作为判别肺癌的标志性气体成分，进一步证明了呼气分析在疾病诊断中的价值。 近年来，呼气代谢组学的概念被提出，当人体从健康状态转变为病理状态时，呼出气中的挥发性有机物分布会发生变化，这些变化可以被检测到并用于诊断和监测疾病。20世纪末期，随着以电子鼻技术为代表的新兴技术飞速发展，使得能够实现对特定气味信号的定性和定量识别，进一步推进了呼气分析技术的发展。 ◼呼气检测的细分类别 根据是否采用指示剂，呼气检测可分为直接检测和标记检测 ◼直接呼气检测 直接检测呼气成分的含量变化可以反映机体的生理和病理改变，主要包括高浓度气体分析、痕迹气体分析和呼气冷凝液分析。 ◼标记呼气检测 标记呼气检测指的是通过口服、吸入或注射等途径摄入可原形呼出的标志气体或可代谢成为标志性气体的化合物，随后，对这些呼出的标志性气体变化进行精确测量，从而深入探究机体的生理和病理变化。依据所使用的指示剂不同，标记呼气检测可分为核素标记呼气检测和非核素标记呼气检测。 核素标记呼气检测 Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ是生命构成的基本元素，核素示踪剂呼气检测通常采用这四种元素的同位素标记示踪化合物，包括13/14C-标记呼气检测、18O-标记呼气检测、2/3H-标记呼气检测和15N-标记呼气检测。其中，以13/14C-标记的呼气检测最为常用，测定摄入13/14C-标记化合物呼气13/14CO2含量变化可以评价体内相应代谢转化状态。 ◼呼气检测的细分类别 非核素标记呼气检测 非核素指示剂呼气检测包括不溶惰性气体冲洗技术、可溶气体吸收试验以及H2/CH4呼气试验。 ◼呼气检测的应用领域 第二章呼气检测的技术概览 ◼呼出气采集和储存技术 可靠的气体样品收集和储存方法是保证呼气检测结果准确性与可靠性的关键，呼出气体的收集方式主要包括气袋收集法、呼出气体冷凝液收集法、固相微萃取收集法（SPME）以及热脱附（TD） ◼呼出气的采集和储存 人体呼出气的分析研究中，应当保证标准有效的采样程序，其中，呼出气的采集和储存应当注意保存高挥发性的疾病生物标志物以及避免环境VOC的污染，以及采样方式的选择也至关重要。 气袋收集法 采用气袋收集法时，受试者佩戴鼻夹，打开进气阀门后通过一次嘴呼吸呼出气采集入取样袋，封闭取样袋送往实验室进行分离检测。气袋收集法具有操作简单、效率高、成本低、多场景等特点，目前使用最为广泛的Ntrace的Tedlar气袋，所用的聚氟乙烯材质具有良好的化学结合力与稳定性，内涂层的处理避免气体被吸附和被降解，可支持送往实验室的离线检测和外检模式。相较传统的采气袋设计，乐翌生物在其基础上进行优化和改良后推出“双袋系统”，该采气袋由Y/T型装置组成，受试者呼气时，先通过死腔气采气袋，待死腔气气袋充盈后，来自肺泡的目标检测气体再进入肺泡气采气袋，保证气体质量的有效性。肺泡气采气袋含有单向阀门，降低大气压力作用的气体外溢，确保气体储存的有效性。 呼出气体冷凝液（EBC） EBC是在呼出气采集装置的辅助下，将受试者呼出气快速低温冷凝成的液体，得到的呼吸道内衬液由气道上皮层液体和挥发性物质组成。具有无创、操作简单、可多次重复利用、不会改变呼吸道环境的特点。目前，临床上EBC收集装置主要是商业化收集器，包括R-Tu