肺结核（TB），作为一种由结核分枝杆菌（M tb）引起的传染性疾病，是传染性最强的一种疾病。据报道每年有超过一千万的新感染病例和三百万人死于肺结核。大约有95%的肺结核病例和98%肺结核死亡人员发生于发展中国家。由于药物使用不当或药物治疗不完善所导致的不恰当疾病管理会导致产生多药耐药性（MDR）和广泛耐药性（XDR）结核病菌株。目前结核病的诊断依赖于一种使用了120年的耐酸杆菌（AFB） 痰检，该测试会接触到高感染性的物质并需要严格训练的技术员进行操作。血清测试是有创的，并且在涂片阴性的患者和接种过卡介苗的人群中灵敏度较低。多药耐药性和广泛耐药性结核病诊断是一种昂贵且复杂的培养测试，需要两周的分析时间。在偏远地区也无法提供这种成本密集型的专业系统。

自古以来一直就有着利用生物体液来反映个体健康状况的想法。早期的希腊人以及在中世纪，“尿液图表”就被用来将尿液的颜色、味道和气味与各种代谢紊乱联系在一起。中国古代医生利用蚂蚁评估病人尿液中葡萄糖水平是否较高，从而来检测糖尿病。Roger Williams在二十世纪四十年代末引入了每个人都有一个可以通过他们生物体液的组成来反映的“代谢图谱”的概念。但是只有在二十世纪六七十年代技术取得重大进步后，对代谢图谱的定性分析进行定量才变得可行。“代谢图谱”这一专业术语是由Horing在1971年展示了利用气相色谱-质谱法（GC-MS）来分析和测量人体尿液和组织提取物中的复合物后提出的。

在实验室培养条件下，挥发性有机化合物（VOCs）可以区分不同的病原体。生长在羊血琼脂上的结核杆菌会产生诸如苯乙酸甲酯、对茴香酸甲酯、烟酸甲脂和2-甲氧基联苯等结核杆菌特异的顶空挥发性有机化合物。但这些化合物在其其它呼吸道病原体包括肺炎链球菌和流感嗜血杆菌中都没有。

对于结核杆菌，利用尿液作为生物基质来发现生物标志物具有特殊的意义。结核分枝杆菌感染，包括在潜伏，活化和全盛时期，都可能会对宿主的生理和病理状态造成不同的代谢影响。这种代谢干扰可能会表现为生物基质的代谢图谱的变化。我们研究了通过全局代谢图谱的方法将尿液作为区分肺结核病人和健康对照的基质的应用性。被研究对象包括新肺结核病人以及经过不同时间抗肺结核治疗的病人（0-3个月和4-7个月），健康的未接触过结核分枝杆菌的人、处于潜伏期的结核分枝杆菌感染人员和其他患有类似肺部疾病像肺癌和慢性阻塞性肺病的病人。

样品准备经优化后使得样品处理和从人尿液中提取分析物的步骤减至最少，从而可以避免污染。尿液样品的酸化会影响到可鉴定挥发性有机化合物的数目并提供最佳的分辨率。

利用静态顶空进样器与气相色谱/质谱偶联，117位新肺结核病人的尿液样品中的挥发性有机化合物被加以鉴定并与56位非肺结核对照进行比较。在验证阶段要分析一系列的对照，包括在进行治疗的病人和患有其它类似肺部疾病（肺癌和慢性阻塞性肺病）的病人，以及新的肺结核病例和健康的纯蛋白衍生物试验阴性人员。在尿液样品中的多种挥发性分子中，有五种鉴定出来的挥发性有机化合物被发现其含量有明显差异。这五种挥发性有机化合物可以一起形成一种能精确区分肺结核病人和非肺结核病人的分子标记。通过比较各种尿液代谢物，醋酸异丙酯、邻二甲苯、甲基异丙基苯、2,6-二甲基苯乙烯和3-戊醇在区分肺结核病人和对照时显示出了很高的区分能力。在肺结核病人的尿液中，醋酸异丙酯和邻二甲苯的含量有明显的增加（分别为2.07和6.37倍，p<0.05）。像甲基异丙基苯、2,6-二甲基苯乙烯和3-戊醇等分子在肺结核病人尿液中的含量有明显的下调（分别为0.42，0.37，0.59，p<0.05)。处于早期和晚期治疗阶段的患者也表现出明显的类别差异。类似的，将肺结核病人的尿液代谢物图谱和其它肺部感染（肺癌、慢性阻塞性肺病）的尿液代谢图谱进行比较也显示出了明显的类别差异。诸如年龄和性别的自然差异并没有显著影响到肺结核组中鉴定到的标志分子的丰度。

目前的研究表明应用基于非靶标质谱的代谢组学方法并使用顶空作为可靠有力的进样装置，尿液中的挥发性有机化合物很有潜力成为肺结核疾病的标志物。这一推荐方法的一个主要优势是尿液收集的无创性。该方法也有希望被用于对治疗反应和疾病进展的监测。尿液与痰相比是一种相对比较安全的基质，与血液相比其收集过程是无痛的。

我们的研究是第一个报道可以利用肺结核病人尿液中的挥发性有机化合物图谱来进行疾病诊断的。原则上可以对任何年龄阶段的病人提供其对分枝杆菌感染的总机体负担和额外的肺结核信息。而对此现有的方法很有限。基于任何挥发性有机化合物的生物标志物研究在经历了发现和验证阶段之后会面临一个真正的挑战，就是要将生物标志物在诊所或基本保健点内转变成一个价格低廉，易于管理的诊断工具。基于传感器阵列与神经网络分类相结合的电子鼻技术正在开发用于测量产生自培养细胞顶空的挥发性有机化合物。而且原理上可以用于分析任何来源的挥发性有机化合物。它可以用于在其它病理条件下从其它诸如唾液、痰、血清和脑脊髓液等生物体液内的挥发性有机化合物中发现潜在的生物标志物。