呼气质谱创新应用系列（二）| 岛津TD-GCMS 助力解析牙周炎相关挥发性代谢标志物

口腔呼出气体中包含着丰富的挥发性代谢物信息，这些分子信号能够灵敏反映口腔微生态与炎症状态的动态变化，为口腔疾病的早期识别与精准监测提供了全新的路径。北京大学口腔医院袁超主任医师课题组与岛津中国创新中心合作，在牙周炎患者口腔呼出气中潜在标志物研究中取得进展。采用热脱附-气相色谱质谱联用技术（TD-GCMS），结合多组学验证策略，系统解析了牙周炎患者口腔呼出气体与唾液中的特征性代谢谱，筛选出与牙周炎高度相关的挥发性代谢物，并构建出具有良好诊断效能的生物标志物组合。该研究成果以“Periodontitis biomarkers through thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry analysis”为题，已发表于《Frontiers in Dental Medicine》。

引言

作为全球高发的慢性感染性口腔疾病，牙周炎正以“沉默的破坏者”姿态威胁着人类口腔健康——它由牙菌斑微生物诱发，逐步侵蚀牙周支持组织，最终可能导致牙齿脱落。数据显示，2017 年全球重度牙周炎患者已达7148万人，其中亚洲地区疾病负担尤为沉重，且自 1990 年以来患病率持续上升。传统诊断依赖专业牙周探诊，难以及时捕捉早期病变信号，给疾病防治带来诸多局限。因此探索更有效的早期诊断方法，对于改善疾病管理、降低其系统性健康影响具有重要意义。

近年来，生物标志物引领的无创诊断成为研究热点，而口腔呼出气与唾液中的挥发性代谢物，凭借易获取、完全无创的独特优势，成为疾病诊断的潜力候选。这些代谢物由口腔微生物代谢产生，可从牙周袋扩散至唾液并释放于口腔呼出气中，直接反映口腔微生态状态，并为非侵入性诊断提供了直接依据。尽管如此，目前针对牙周炎患者口腔呼出气中挥发性代谢物的系统分析与应用研究仍然较有限。

本研究基于热脱附-气相色谱质谱联用系统（TD-GCMS），系统分析了牙周炎患者与健康人群的口腔呼出气体，探索呼出气体中的特征挥发性代谢物作为牙周疾病诊断生物标志物的潜力，以期为临床提供一种新型、无创的牙周炎辅助诊断手段，也为探索口腔微生物-宿主代谢互作机制提供新视角。

研究内容

本研究为一项探索性诊断模型研究，于2023年3月至2024年间在北京大学口腔医院入组了符合严格筛选标准的参与者。研究设计采用了多队列验证策略，并通过多技术交叉验证的研究设计，让检测结果的科学性和可靠性得到充分保障。研究共入组138名受试者（115名牙周炎患者和23名健康人），通过三重验证体系层层递进：

● 发现队列与验证队列：通过TD-GCMS分析呼气样本中的挥发性有机化合物（VOCs），筛选潜在标志物并构建诊断模型；

● 唾液验证队列：用固相微萃取-气相色谱质谱联用技术（SPME-GCMS）检测唾液中的挥发性代谢物，验证呼气样本中发现的关键代谢物；

● 代谢通路验证队列：用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）分析唾液代谢通路，从代谢组学层面揭示牙周炎相关的代谢变化。

图1. 研究流程示意图

所有参与者均依照标准化的吹气方法将口腔气体收集入气体采样袋，并立即通过热脱附管进行VOCs的捕集与富集。采用TD-GCMS 对来自发现队列与测试队列的气体样本进行分析，共检测并鉴定出78种VOCs。进一步通过正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）结合t检验筛选差异VOCs，并利用随机森林模型对由关键差异代谢物构建的诊断模型的效能进行验证与优化。此外，研究另设两个独立验证队列，分别采用SPME-GCMS对唾液直接进行VOCs分析，以及采用LC-MS对唾液进行非靶向代谢组学分析，以验证目标代谢物在唾液中的表达趋势并探索其潜在的生物学通路。

结果与讨论

本研究通过系统分析牙周炎患者的口腔呼出气体与唾液，揭示了其独特的挥发性代谢物图谱，并建立了具有临床应用潜力的诊断模型。

关键生物标志物的筛选

本研究通过TD-GCMS技术，在口腔呼出气中共鉴定出78种VOCs。其中，环己酮、苯乙烯和乙醇作为候选标志物，单独诊断的曲线下面积（AUC）分别为0.7470、0.6909和0.7478（如图2A），而三者联合构建诊断模型后，AUC提升至 0.8237（如图2B）。且在独立测试队列中经随机森林模型验证达到 0.9573 的准确率。这些结果表明，基于VOCs的组合诊断模型具有潜在的临床应用价值。

图2. 发现队列中呼出气代谢物环己酮、苯乙烯、乙醇及其联合组合的诊断效能：(A) 环己酮、苯乙烯、乙醇的独立受试者工作特征（ROC）分析；(B) 三种代谢物联合的ROC分析结果；(C–E) 箱线图展示两组间环己酮、苯乙烯、乙醇的表达水平对比。

验证关键生物标志物

研究通过SPME-GCMS技术在唾液样本中直接检测到环己酮，并证实其在牙周炎组中相对丰度显著升高（P<0.05）（如图3），验证了其在气体与液体样本中表达趋势的一致性，增强了其作为稳健生物标志物的可靠性。

图3. 验证队列中唾液挥发性代谢物的SPME-GCMS分析。（A）牙周炎组与健康对照组的主成分分析（PCA）得分图；（B）基于差异倍数（FC）≥1.5且p<0.05筛选出的差异挥发性代谢物火山图；（C）牙周炎组与健康对照组唾液中环己酮的丰度比较。

结论

本研究采用岛津多种分析平台，通过多队列验证设计，筛选出由环己酮、苯乙烯和乙醇组成的具有高诊断准确性的口腔呼出气生物标志物组合，该研究不仅为牙周炎提供了全新的无创诊断方案与核心标志物，更从代谢层面为解析牙周炎的口腔微生态发病机制提供了新视角，也为后续牙周炎的靶向干预研究奠定了重要实验基础。

岛津热脱附-气相色谱质谱联用仪

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文中方案所涉产品仅作科研用途，不用于临床诊断。

参考文献：

Liang Q, Zhang Y, Zhang X, et al. Periodontitis biomarkers through thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry analysis [J]. Front. Dent. Med., 2025, 6:1684773.