Летучие органические соединения выдыхаемого воздуха, фекалий и мочи как биомаркеры в диагностике воспалительных заболеваний кишечника
https://doi.org/10.22416/1382-4376-2026-36-3-21-33
Аннотация
Цель: проанализировать результаты исследований, изучавших летучие органические соединения различных аналитов (выдыхаемый воздух, фекалии, моча) с целью диагностики воспалительных заболеваний кишечника.
Материалы и методы. Проведен систематический электронный поиск литературы (без ограничений по языку или типу публикации) с использованием баз данных Medline/PubMed, Embase, Scopus и Web of Science с применением ключевых слов. В процессе анализа опубликованных статей оценивалось качество созданных диагностических моделей.
Результаты. Для изучения летучих органических соединений используются метаболомные методы, предполагающие количественное определение соединений, и так называемые «электронные носы» — различные типы сенсоров для создания «паттерна» метаболитов. Показано, что определение летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе, фекалиях, моче является недорогим, доступным, приемлемым для пациентов и врачей, обладает высокой диагностической точностью, позволяя различать пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника от здоровых лиц, дифференцировать нозологические формы — язвенный колит и болезнь Крона, активность заболевания, мониторировать характер его течения. Показатели чувствительности и специфичности при решении разных диагностических задач варьируют в зависимости от используемого метода (совокупная чувствительность и специфичность летучих органических соединений в качестве биомаркеров для различения пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника от здоровых лиц составили 87 % (95%-ный доверительный интервал (95% ДИ): 0,79–0,92) и 83 % (95% ДИ: 0,73–0,90) соответственно с AUC 0,92), исследуемого аналита, количества анализируемых летучих органических соединений, числа обследованных пациентов, учета влияющих факторов.
Заключение. Исследование летучих органических соединений демонстрирует большой потенциал в качестве неинвазивного биомаркера воспалительных заболеваний кишечника. В дальнейшем необходимы более масштабные многоцентровые проспективные исследования для разработки оптимальных подходов к отбору проб, стандартизации анализа и интерпретации данных по летучим органическим соединениям при решении разных диагностических задач у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника.
Ключевые слова
Об авторах
М. В. КручининаРоссия
Кручинина Маргарита Витальевна — доктор медицинских наук, профессор, заведующая лабораторией гастроэнтерологии, ведущий научный сотрудник лаборатории гастроэнтерологии; профессор кафедры пропедевтики внутренних болезней
630089, г. Новосибирск, ул. Бориса Богаткова, 175/1
М. Ф. Осипенко
Россия
Осипенко Марина Федоровна — доктор медицинских наук, профессор, заведуюшая кафедрой пропедевтики внутренних болезней
630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 52
А. В. Христонько
Россия
Христонько Анна Валентиновна — ординатор лаборатории гастроэнтерологии
630089, г. Новосибирск, ул. Бориса Богаткова, 175/1
А. И. Валуйских
Россия
Валуйских Александр Игоревич — аспирант
630089, г. Новосибирск, ул. Бориса Богаткова, 175/1
Список литературы
1. Шелыгин Ю.А., Ивашкин В.Т., Ачкасов С.И., Решетов И.В., Маев И.В., Белоусова Е.А. и др. Клинические рекомендации. Болезнь Крона (К50), взрослые. Колопроктология. 2023;22(3):10–49. DOI: 10.33878/2073-7556-2023-22-3-10-49
2. Российская гастроэнтерологическая ассоциация; Ассоциация колопроктологов России. Язвенный колит. Клинические рекомендации. М., 2020. URL: https://legalacts.ru/doc/kliniches-kie-rekomendatsii-iazvennyi-kolit-utv-minzdravom-rossii/
3. Cantoro L., Monterubbianesi R., Falasco G., Camastra C., Pantanella P., Allocca M., et al. The earlier you find, the better you treat: Red flags for early diagnosis of inflammatory bowel disease. Diagnostics (Basel). 2023;13(20):3183. DOI: 10.3390/diagnostics13203183
4. Feuerstein J.D., Ho E.Y., Shmidt E., Singh H., FalckYtter Y., Sultan S., et al.; American Gastroenterological Association Institute Clinical Guidelines Committee. AGA clinical practice guidelines on the medical management of moderate to severe luminal and perianal fistulizing Crohn’s disease. Gastroenterology. 2021;160(7):2496–508. DOI: 10.1053/j.gastro.2021.04.022
5. Siegel C.A., Sharma D., Griffith J., Doan Q., Xuan S., Malter L. Treatment pathways in patients with Crohn’s disease and ulcerative colitis: Understanding the road to advanced therapy. Crohns Colitis 360. 2024;6(3):otae040. DOI: 10.1093/crocol/otae040
6. Gao P., Huang X., Fang X.Y., Zheng H., Cai S.L., Sun A.J., et al. Application of metabolomics in clinical and laboratory gastrointestinal oncology. World J Gastrointest Oncol. 2021;13(6):536–49. DOI: 10.4251/wjgo. v13.i6.536
7. Kurada S., Alkhouri N., Fiocchi C., Dweik R., Rieder F. Review article: Breath analysis in inflammatory bowel diseases. Aliment Pharmacol Ther. 2015;41(4):329–41. DOI: 10.1111/apt.13050
8. Chu H., Jang K.S., Choi B., Kang J.W., Son C.E., Ahn Y.G. Real-time determination of volatile organic compounds [VOCs] by ion molecule reaction — mass spectrometry [IMR-MS]. Instrum Sci Technol. 2022;51(3):260–72. DOI: 10.1080/10739149.2022.2123817
9. Belluomo I., Whitlock S.E., Myridakis A., Parker A.G., Converso V., Perkins M.J., et al. Combining thermal desorption with selected ion flow tube mass spectrometry for analyses of breath volatile organic compounds. Anal Chem. 2024;96(4):1397–401. DOI: 10.1021/acs.analchem.3c04286
10. Rondanelli M., Perdoni F., Infantino V., Faliva M.A., Peroni G., Iannello G., et al. Volatile organic compounds as biomarkers of gastrointestinal diseases and nutritional status. J Anal Methods Chem. 2019;2019:7247802. DOI: 10.1155/2019/7247802
11. Maniscalco M., Candia C., Fuschillo S., Ambrosino P., Paris D., Motta A. Exhaled breath condensate (EBC) in respiratory diseases: Recent advances and future perspectives in the age of omic sciences. J Breath Res. 2024;18(4). DOI: 10.1088/1752-7163/ad7a9a
12. Mezmale L., Leja M., Lescinska A.M., Pčolkins A., Kononova E., Bogdanova I., et al. Identification of volatile markers of colorectal cancer from tumor tissues using volatilomic approach. Molecules. 2023;28(16):5990. DOI: 10.3390/molecules28165990
13. Di Gilio A., Palmisani J., Nisi M., Pizzillo V., Fiorentino M., Rotella S., et al. Breath analysis: Identification of potential volatile biomarkers for non-invasive diagnosis of chronic kidney disease (CKD). Molecules. 2024;29(19):4686. DOI: 10.3390/molecules29194686
14. Kozhevnikova M.V., Kakotkina A.V., Korobkova E.O., Kuznetsov I.V., Shestakova K.M., Moskaleva N.E., et al. Metabolomic panel for the diagnosis of heart failure with preserved ejection fraction. Int J Mol Sci. 2025;26(5):2102. DOI: 10.3390/ijms26052102
15. Boon-yasidhi P., Karnsakul W. Non-invasive biomarkers and breath tests for diagnosis and monitoring of chronic liver diseases. Diagnostics (Basel). 2025;15(1):68. DOI: 10.3390/diagnostics15010068
16. Nakhleh M.K., Haick H., Humbert M., Cohen-Kamins- ky S. Volatolomics of breath as an emerging frontier in pulmonary arterial hypertension. Eur Respir J. 2017;49(2):1601897. DOI: 10.1183/13993003.01897-2016
17. Makrinioti H., Zhu Z., Camargo C.A. Jr., Fainardi V., Hasegawa K., Bush A., et al. Application of metabolomics in obesity-related childhood asthma subtyping: A narrative scoping review. Metabolites. 2023;13(3):328. DOI: 10.3390/metabo13030328
18. Nojima M., Kimura T., Aoki Y., Fujimoto H., Hayashi K., Ohtake J., et al. A metabolomics-based approach for diagnosing NAFLD and identifying its pre-condition along the potential disease spectrum. Livers. 2025;5(1):12. DOI: 10.3390/livers5010012
19. Španěl P., Smith D. Quantification of volatile metabolites in exhaled breath by selected ion flow tube mass spectrometry, SIFT-MS. Clin Mass Spectrom. 2020;16:18–24. DOI: 10.1016/j.clinms.2020.02.001
20. de Lacy Costello B., Gould O., Ratcliffe N.M. Biomarkers in urine and stool. In: Breathborne Biomarkers and the Human Volatilome. Amsterdam, Elsevier. 2020:379–408. DOI: 10.1016/B978-0-12-819967-1.00024-4
21. Joustra V., Hageman I.L., Satsangi J., Adams A., Ventham N.T., de Jonge W.J., et al. Systematic review and meta-analysis of peripheral blood DNA methylation studies in inflammatory bowel disease. J Crohns Colitis. 2023;17(2):185–98. DOI: 10.1093/ECCO-JCC/JJAC119
22. Chen P., Zhou G., Lin J., Li L, Zeng Z., Chen M., et al. Serum biomarkers for inflammatory bowel disease. Front Med (Lausanne). 2020;7:123. DOI: 10.3389/ fmed.2020.00123
23. Wilson A.D. Application of electronic-nose technologies and VOC-biomarkers for the noninvasive early diagnosis of gastrointestinal diseases. Sensors (Basel). 2018;18(8):2613. DOI: 10.3390/S18082613
24. Binson V.A., Subramoniam M. Design and development of an e-nose system for the diagnosis of pulmonary diseases. Acta Bioeng Biomech. 2021;23(1):35–44. DOI: 10.37190/ABB-01737-2020-03
25. van de Goor R., van Hooren M., Dingemans A.M., Kremer B., Kross K. Training and validating a portable electronic nose for lung cancer screening. J Thorac Oncol. 2018;13(5):676–81. DOI: 10.1016/j.jtho.2018.01.024
26. Sanislav T., Mois G.D., Zeadally S., Folea S., Radoni T.C., Al-Suhaimi E.A. A comprehensive review on sensor-based electronic nose for food quality and safety. Sensors (Basel). 2025;25(14):4437. DOI: 10.3390/s25144437
27. Kiss H., Örlős Z., Gellért Á., Megyesfalvi Z., Mikáczó A., Sárközi A., et al. Exhaled biomarkers for point-of-care diagnosis: Recent advances and new challenges in breathomics. Micromachines (Basel). 2023;14(2):391. DOI: 10.3390/mi14020391
28. Huang Y., Doh I.-J., Bae E. Design and validation of a portable machine learning-based electronic nose. Sensors (Basel). 2021;21(11):3923. DOI: 10.3390/s21113923
29. Tiele A., Wicaksono A., Kansara J., Arasaradnam R.P., Covington J.A. Breath analysis using eNose and ion mobility technology to diagnose inflammatory bowel disease — A pilot study. Biosensors (Basel). 2019;9(2):55. DOI: 10.3390/bios9020055
30. Alenzy E., Kandjani A., Shaibani M., Trinchi A., Bhargava S., Ippolito S., et al. Human breath analysis; clinical application and measurement: An overview. Biosens Bioelectron. 2024;278:117094. DOI: 10.1016/j.bios.2024.117094
31. Walton C., Fowler D.P., Turner C., Jia W., Whitehead R.N., Griffiths L., et al. Analysis of volatile organic compounds of bacterial origin in chronic gastrointestinal diseases. Inflamm Bowel Dis. 2013;19(10):2069–78. DOI: 10.1097/MIB.0b013e31829a91f6
32. de Meij T.G., de Boer N.K., Benninga M.A., Lentferink Y.E., de Groot E.F., van de Velde M.E., et al. Faecal gas analysis by electronic nose as novel, non-invasive method for assessment of active and quiescent paediatric inflammatory bowel disease: Proof of principle study. J Crohns Colitis. 2014:S1873-9946(14)00285-2. DOI: 10.1016/S1873-9946(14)50012-8
33. Ahmed I., Greenwood R., Costello B., Ratcliffe N., Probert C.S. Investigation of faecal volatile organic metabolites as novel diagnostic biomarkers in inflammatory bowel disease. Aliment Pharmacol Ther. 2016;43(5):596–611. DOI: 10.1111/apt.13522
34. van Gaal N., Lakenman R., Covington J., Savage R., de Groot E., Bomers M., et al. Faecal volatile organic compounds analysis using field asymmetric ion mobility spectrometry: Non-invasive diagnostics in paediatric inflammatory bowel disease. J Breath Res. 2017;12(1):016006. DOI: 10.1088/1752-7163/aa6f1d
35. Bosch S., El Manouni El Hassani S., Covington J.A., Wicaksono A.N., Bomers M.K., Benninga M.A., et al. Optimized sampling conditions for fecal volatile organic compound analysis by means of field asymmetric ion mobility spectrometry. Anal Chem. 2018;90(13):7972–81. DOI: 10.1021/acs.analchem.8b00688
36. Bosch S., Wintjens D.S.J., Wicaksono A., Kuijvenhoven J., van der Hulst R., Stokkers P., et al. The faecal scent of inflammatory bowel disease: Detection and monitoring based on volatile organic compound ana- lysis. Dig Liver Dis. 2020;52(7):745–52. DOI: 10.1016/j.dld.2020.03.007
37. Bosch S., Wintjens D.S.J., Wicaksono A., Pierik M., Covington J.A., de Meij T.G.J., et al. Prediction of inflammatory bowel disease course based on fecal scent. Sensors (Basel). 2022;22(6):2316. DOI: 10.3390/s22062316
38. El Manouni El Hassani S., Bosch S., Lemmen J.P.M., Brizzio Brentar M., Ayada I., Wicaksono A.N., et al. Simultaneous assessment of urinary and fecal volatile organic compound analysis in de novo pediatric IBD. Sensors (Basel). 2019;19(20):4496. DOI: 10.3390/s19204496
39. Patel N., Alkhouri N., Eng K., Cikach F., Mahajan L., Yan C., et al. Metabolomic analysis of breath volatile organic compounds reveals unique breathprints in children with inflammatory bowel disease: A pilot study. Aliment Pharmacol Ther. 2014;40(5):498–507. DOI: 10.1111/apt.12861
40. Hicks L.C., Huang J., Kumar S., Powles S.T., Orchard T.R., Hanna G.B., et al. Analysis of exhaled breath volatile organic compounds in inflammatory bowel disease: A pilot study. J Crohns Colitis. 2015;9(9):731–7. DOI: 10.1093/ecco-jcc/jjv102
41. Arasaradnam R.P., Ouaret N., Thomas M.G., Quraishi N., Heatherington E., Nwokolo C.U., et al. A novel tool for noninvasive diagnosis and tracking of patients with inflammatory bowel disease. Inflamm Bowel Dis. 2013;19(5):999–1003. DOI: 10.1097/MIB.0b013e3182802b26
42. Monasta L., Pierobon C., Princivalle A., Martelossi S., Marcuzzi A., Pasini F., et al. Inflammatory bowel disease and patterns of volatile organic compounds in the exhaled breath of children: A case-control study using Ion molecule reaction-mass spectrometry. PLoS One. 2017;12(8):e0184118. DOI: 10.1371/journal.pone.0184118
43. Dryahina K., Smith D., Bortlík M., Machková N., Lukáš M., Španěl P. Pentane and other volatile organic compounds, including carboxylic acids, in the exhaled breath of patients with Crohn’s disease and ulcerative colitis. J Breath Res. 2017;12(1):016002. DOI: 10.1088/17527163/aa8468
44. Arasaradnam R.P., McFarlane M., Daulton E., Skinner J., O’Connell N., Wurie S., et al. Non-invasive exhaled volatile organic biomarker analysis to detect inflammatory bowel disease (IBD). Dig Liver Dis. 2016;48(2):148–53. DOI: 10.1016/j.dld.2015.10.013
45. Keshteli A.H., Madsen K.L., Mandal R., Boeckxstaens G.E., Bercik P., De Palma G., et al. Comparison of the metabolomic profiles of irritable bowel syndrome patients with ulcerative colitis patients and healthy controls: New insights into pathophysiology and potential biomarkers. Aliment Pharmacol Ther. 2019;49(6):723–32. DOI: 10.1111/apt.15141
46. Dawiskiba T., Deja S., Mulak A., Ząbek A., Jawień E., Pawełka D., et al. Serum and urine metabolomic fingerprinting in diagnostics of inflammatory bowel diseases. World J Gastroenterol. 2014;20(1):163–74. DOI: 10.3748/wjg.v20.i1.163
47. Williams H.R., Cox I.J., Walker D.G., North B.V., Patel V.M., Marshall S.E., et al. Characterization of inflammatory bowel disease with urinary metabolic profiling. Am J Gastroenterol. 2009;104(6):1435–44. DOI: 10.1038/ajg.2009.175
48. Pelli M.A., Trovarelli G., Capodicasa E., De Medio G.E., Bassotti G. Breath alkanes determination in ulcerative colitis and Crohn’s disease. Dis Colon Rectum. 1999;42(1):71–6. DOI: 10.1007/BF02235186
49. Sedghi S., Keshavarzian A., Klamut M., Eiznhamer D., Zarling E.J. Elevated breath ethane levels in active ulcerative colitis: Evidence for excessive lipid peroxidation. Am J Gastroenterol. 1994;89(12):2217–21.
50. Koek G.H., Verleden G.M., Evenepoel P., Rutgeerts P. Activity related increase of exhaled nitric oxide in Crohn’s disease and ulcerative colitis: A manifestation of systemic involvement? Respir Med. 2002;96(7):530–5. DOI: 10.1053/rmed.2002.1312
51. Bodelier A.G., Smolinska A., Baranska A., Dallinga J.W., Mujagic Z., Vanhees K., et al. Volatile organic compounds in exhaled air as novel marker for disease activity in Crohn’s disease: A metabolomic approach. Inflamm Bowel Dis. 2015;21(8):1776–85. DOI: 10.1097/MIB.0000000000000436
52. Smolinska A., Bodelier A.G., Dallinga J.W., Masclee A.A., Jonkers D.M., van Schooten F.J., et al. The potential of volatile organic compounds for the detection of active disease in patients with ulcerative colitis. Aliment Pharmacol Ther. 2017;45(9):1244–54. DOI: 10.1111/apt.14004
53. Kokoszka J., Nelson R.L., Swedler W.I., Skosey J., Abcarian H. Determination of inflammatory bowel disease activity by breath pentane analysis. Dis Colon Rectum. 1993;36(6):597–601. DOI: 10.1007/BF02049868
54. Rieder F., Kurada S., Grove D., Cikach F., Lopez R., Patel N., et al. A distinct colon-derived breath metabolome is associated with inflammatory bowel disease, but not its complications. Clin Transl Gastroenterol. 2016;7(11):e201. DOI: 10.1038/ctg.2016.57
55. Li H., Wang K., Hao M., Liu Y., Liang X., Yuan D., et al. The role of intestinal microecology in inflammatory bowel disease and colorectal cancer: A review. Medicine (Baltimore). 2023;102(51):e36590. DOI: 10.1097/MD.0000000000036590
56. He P., Yu L., Tian F., Zhang H., Chen W., Zhai Q. Dietary patterns and gut microbiota: The crucial actors in inflammatory bowel disease. Adv Nutr. 2022;13(5):1628–51. DOI: 10.1093/advances/nmac029
57. Probert C.S., Reade S., Ahmed I. Fecal volatile orga- nic compounds: A novel, cheaper method of diagnosing inflammatory bowel disease? Expert Rev Clin Immunol. 2014;10(9):1129–31. DOI: 10.1586/1744666X.2014.943664
58. Arasaradnam R.P., Pharaoh M.W., Williams G.J., Nwokolo C.U., Bardhan K.D., Kumar S. Colonic fermentation — more than meets the nose. Med Hypotheses. 2009;73(5):753–6. DOI: 10.1016/j.mehy.2009.04.027
59. Van Malderen K., De Winter B.Y., De Man J.G., De Schepper H.U., Lamote K. Volatomics in inflammatory bowel disease and irritable bowel syndrome. EBioMedicine. 2020;54:102725. DOI: 10.1016/j.ebiom.2020.102725
60. Vernia F., Valvano M., Fabiani S., Stefanelli G., Longo S., Viscido A., et al. Are volatile organic compounds accurate markers in the assessment of colorectal cancer and inflammatory bowel diseases? A review. Cancers (Basel). 2021;13(10):2361. DOI: 10.3390/cancers13102361
61. Krishnamoorthy A., Chandrapalan S., Ahmed M., Arasaradnam R.P. The diagnostic utility of volatile organic compounds in inflammatory bowel disease: A systematic review and meta-analysis. J Crohns Colitis. 2024;18(2):320–30. DOI: 10.1093/ecco-jcc/jjad132
62. Blanchet L., Smolinska A., Baranska A., Tigchelaar E., Swertz M., Zhernakova A., et al. Factors that influence the volatile organic compound content in human breath. J Breath Res. 2017;11(1):016013. DOI: 10.1088/17527163/aa5cc5
63. Kaz A.M., Venu N. Diagnostic methods and biomarkers in inflammatory bowel disease. Diagnostics (Basel). 2025;15(11):1303. DOI: 10.3390/diagnostics15111303
64. Sagar N.M., Cree I.A., Covington J.A., Arasaradnam R.P. The interplay of the gut microbiome, bile acids, and volatile organic compounds. Gastroenterol Res Pract. 2015;2015:398585. DOI: 10.1155/2015/398585
65. McFarlane M., Millard A., Hall H., Savage R., Constantinidou C., Arasaradnam R., et al. Urinary volatile organic compounds and faecal microbiome profiles in colorectal cancer. Colorectal Dis. 2019;21(11):1259–69. DOI: 10.1111/codi.14739
66. Mallafré-Muro C., Llambrich M., Cumeras R., Pardo A., Brezmes J., Marco S., et al. Comprehensive volatilome and metabolome signatures of colorectal cancer in urine: A systematic review and meta-analysis. Cancers (Basel). 2021;13(11):2534. DOI: 10.3390/cancers13112534
67. Doran S.L.F., Romano A., Hanna G.B. Optimisation of sampling parameters for standardised exhaled breath sampling. J Breath Res. 2018;12:016007. DOI: 10.1088/1752-7163/aa8a46
68. Aylward L.L., Hays S.M., Smolders R., Koch H.M., Cocker J., Jones K., et al. Sources of variability in biomar- ker concentrations. J Toxicol Environ Health B Crit Rev. 2014;17(1):45–61. DOI: 10.1080/10937404.2013.864250
69. Sagar N.M., Duboc H., Kay G.L., Alam M.T., Wicaksono A.N., Covington J.A., et al. The pathophysiology of bile acid diarrhoea: Differences in the colonic microbiome, metabolome and bile acids. Sci Rep. 2020;10(1):20436. DOI: 10.1038/s41598-020-77374-7
70. Bannaga A.S., Tyagi H., Daulton E., Covington J.A., Arasaradnam R.P. Exploratory study using urinary volatile organic compounds for the detection of hepatocellular carcinoma. Molecules. 2021;26(9):2447. DOI: 10.3390/molecules26092447
71. Marabotto E., Kayali S., Buccilli S., Levo F., Bodini G., Giannini E.G., et al. Colorectal cancer in inflammatory bowel diseases: Epidemiology and prevention: A review. Cancers (Basel). 2022;14(17):4254. DOI: 10.3390/cancers14174254
Рецензия
Для цитирования:
Кручинина М.В., Осипенко М.Ф., Христонько А.В., Валуйских А.И. Летучие органические соединения выдыхаемого воздуха, фекалий и мочи как биомаркеры в диагностике воспалительных заболеваний кишечника. Российский журнал гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии. 2026;36(3):21-33. https://doi.org/10.22416/1382-4376-2026-36-3-21-33
For citation:
Kruchinina M.V., Osipenko M.F., Khristonko A.V., Valuyskikh A.I. Volatile Organic Compounds of Exhaled Air, Feces and Urine as Biomarkers in the Diagnosis of Inflammatory Bowel Diseases. Russian Journal of Gastroenterology, Hepatology, Coloproctology. 2026;36(3):21-33. https://doi.org/10.22416/1382-4376-2026-36-3-21-33
JATS XML
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 License.




























