Анализ выдыхаемого газа

Анализ выдыхаемого воздуха — это метод получения информации о клиническом состоянии человека путем мониторинга летучих органических соединений (ЛОС), присутствующих в выдыхаемом воздухе . Выдыхаемый воздух естественным образом вырабатывается организмом человека при выдохе и, следовательно, может быть собран неинвазивным и неограниченным способом. ^[1] ЛОС в выдыхаемом воздухе могут представлять собой биомаркеры определенных патологий ( рак легких , астма , хроническая обструктивная болезнь легких и другие). Затем концентрацию выдыхаемого газа можно связать с концентрацией в крови с помощью математического моделирования , например, при тестировании на алкоголь в крови . ^[2] Существуют различные методы, которые можно использовать для сбора и анализа выдыхаемого воздуха. Исследования выдыхаемого воздуха начались много лет назад, в настоящее время его клиническое применение для диагностики заболеваний ограничено. ^[3] Однако это может измениться в ближайшем будущем, поскольку в настоящее время по всему миру начинаются крупные исследования по внедрению. ^[4]

История

Лавуазер в своей лаборатории изучает дыхание человека.

Известно, что со времен Гиппократа анализ выдыхаемого воздуха проводился с целью диагностики заболеваний. Например, считалось, что выдыхаемый воздух человека, страдающего диабетом, имеет сладкий запах, в то время как у людей, страдающих почечной недостаточностью, он имеет запах рыбы. ^[5] Только с Антони Лавуазье чистый запах выдыхаемого человеком воздуха был заменен систематическим анализом химического состава. Область современного тестирования дыхания началась в 1971 году, когда лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг продемонстрировал, что человеческое дыхание представляет собой сложный газ, содержащий более 200 различных ЛОС. ^[6] Позднее в выдыхаемом воздухе было идентифицировано более 3000 ЛОС. ^[7] В последние годы многие ученые сосредоточились на анализе выдыхаемого воздуха с целью выявления специфических для заболеваний биомаркеров на ранних стадиях. Рак легких , ^[8] ХОБЛ и рак головы и шеи ^[9] входят в число заболеваний, которые рассматривались для обнаружения биомаркеров. Несмотря на то, что анализ выдыхаемого воздуха начался много лет назад, до сих пор нет его клинического применения для диагностики заболеваний. Это в основном из-за отсутствия стандартизации клинических тестов, как для процедур сбора дыхания, так и для их анализа. ^{[10] [11] [12]} Хотя использование так называемых отпечатков дыхания, определяемых электронными носами , является многообещающим и, по-видимому, позволяет различать рак легких, ХОБЛ и астму. ^[13] Они также, по-видимому, способны обнаруживать различные фенотипы астмы и ХОБЛ ^[14] и других заболеваний ^[15]

Обзор

Эндогенные летучие органические соединения (ЛОС) высвобождаются в организме человека в результате нормальной метаболической активности или из-за патологических нарушений. Они попадают в кровоток и в конечном итоге метаболизируются или выводятся через выдох , кожное выделение, мочу и т. д.

Идентификацию и количественную оценку потенциальных биомаркеров заболеваний можно рассматривать как движущую силу для анализа выдыхаемого воздуха. Более того, предполагается использование в будущем для медицинской диагностики и контроля терапии с динамическими оценками нормальной физиологической функции или фармакодинамики.

Экзогенные ЛОС, проникающие в организм в результате воздействия окружающей среды, могут использоваться для количественной оценки нагрузки на организм. Кроме того, дыхательные тесты часто основаны на приеме изотопно-меченых прекурсоров, производящих изотопно-меченый диоксид углерода и потенциально множество других метаболитов.

Однако отбор проб дыхания далек от стандартизированной процедуры из-за многочисленных факторов, влияющих на концентрацию летучих веществ в дыхании. Эти факторы связаны как с протоколами отбора проб дыхания, так и со сложными физиологическими механизмами, лежащими в основе легочного газообмена . Даже в состоянии покоя концентрации ЛОС в выдыхаемом воздухе могут сильно зависеть от определенных физиологических параметров, таких как сердечный выброс и характер дыхания, в зависимости от физико-химических свойств изучаемого соединения.

Понимание влияния всех факторов и их контроля необходимо для достижения точной стандартизации сбора образцов выдыхаемого воздуха и правильного определения соответствующих уровней концентрации в крови.

Простейшая модель, связывающая концентрацию выдыхаемого газа с концентрацией в крови, была разработана Фархи ^[16].

${\displaystyle C_{A}={\frac {C_{\bar {v}}}{\lambda _{\text{b:air}}+{\dot {V}}_{A}/{\dot {Q}}_{c}}},}$

где обозначает альвеолярную концентрацию, которая предполагается равной измеренной концентрации. Она выражает тот факт, что концентрация инертного газа в альвеолярном воздухе зависит от смешанной венозной концентрации , коэффициента распределения кровь:воздух, специфичного для вещества , и вентиляционно-перфузионного отношения . Но эта модель терпит неудачу, когда измеряются два прототипических вещества, таких как ацетон (коэффициент распределения ) или изопрен (коэффициент распределения ). ^[17] ${\displaystyle C_{A}}$ ${\displaystyle C_{\bar {v}}}$ ${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}}$ ${\displaystyle {\dot {V}}_{A}/{\dot {Q}}_{c}}$ ${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}=340}$ ${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}=0.75}$

Например, умножение предлагаемого среднего значения популяции приблизительно ацетона в конце выдоха на коэффициент распределения при температуре тела значительно занижает наблюдаемые уровни (артериальной) крови, распространяющиеся вокруг . Более того, профили дыхания ацетона (и других высокорастворимых летучих соединений, таких как 2-пентанон или метилацетат), связанные с умеренными нагрузками на эргометре нормальных здоровых добровольцев, резко отклоняются от тенденции, предложенной уравнением выше; следовательно, необходимы некоторые более уточненные модели. Такие модели были разработаны. ^{[18] [19]} ${\displaystyle 1\mu g/L}$ ${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}=340}$ ${\displaystyle 1mg/L}$

Приложения

Анализ газового состава выдыхаемого воздуха используется в ряде дыхательных тестов .

• Выявление астмы по выдыхаемому оксиду азота ^[20]
• Тестирование на содержание алкоголя в крови ^[21]
• Отравление угарным газом
• Хроническая болезнь почек (ХБП) и сахарный диабет ^[22]
• Обнаружение диабета
• Диагностика неприятного запаха изо рта
• Мальабсорбция фруктозы с помощью водородного дыхательного теста
• Helicobacter pylori с уреазным дыхательным тестом
• Выявление рака легких ^[23]
• Измерение эндогенных метаболических процессов ^[24]
• Мониторинг поглощения побочных продуктов дезинфекции после купания ^[25]
• Отторжение органа
• Отказ от курения

Сборщики дыхания

Дыхание можно собирать с помощью различных самодельных и коммерчески доступных устройств. Вот некоторые примеры инструментов для сбора дыхания, используемых в исследовательской отрасли для анализа ЛОС:

• Канистра из нержавеющей стали с покрытием
• Концевой приточный коллектор воздуха
• Сумка из тедлара

Эти устройства могут использоваться в качестве средства для непосредственного введения образца газа в соответствующий аналитический прибор или служить резервуаром для дыхательного газа, в который помещается поглощающее устройство, например, волокно SPME, для сбора определенных соединений.

Онлайн-анализ

Анализ дыхания также можно проводить онлайн, что позволяет получить представление о метаболизме человека без необходимости подготовки или сбора образцов. ^[26] Технологии, позволяющие проводить анализ дыхания в реальном времени, включают:

• Масс-спектрометрия реакции переноса протона ( PTR-MS )
• Масс-спектрометрия с вторичной электрораспылительной ионизацией ( SESI-MS ) ^[27]
• Масс-спектрометрия с выбранной ионообменной трубкой ( SIFT-MS ) ^[26]

Анализ дыхания очень уязвим для смешивающих факторов. Анализ дыхания в реальном времени имеет то преимущество, что потенциальные смешивающие факторы, связанные с обработкой и манипуляцией образцами, устраняются. Недавние усилия были сосредоточены на стандартизации процедур анализа дыхания онлайн на основе SESI -MS, а также на систематическом изучении и снижении других смешивающих источников изменчивости. ^[28]

Аналитические приборы

Анализ дыхания можно проводить с помощью различных форм масс-спектрометрии, но существуют и более простые методы для конкретных целей, такие как галиметр и алкотестеры .

• Газовая хроматография-масс-спектрометрия ГХ-МС
• Газовая хроматография-УФ-спектрометрия ГХ-УФ
• Масс-спектрометрия реакции переноса протона PTR-MS и PTR-TOF
• Масс-спектрометрия с выбранной ионообменной трубкой SIFT-MS
• Спектрометрия подвижности ионов IMS
• Фурье-преобразование инфракрасной спектроскопии (FTIR)
• Лазерная спектрометрия Спектроскопия
• Отдельные химические датчики или массивы химических датчиков работают как электронные носы.
• Вторичная электрораспылительная ионизация SESI-MS

Ссылки

1. Лавал, Олувасола; Ахмед, Вакар М.; Нийсен, Тамара М.Е.; Гудакр, Ройстон; Фаулер, Стивен Дж. (октябрь 2017 г.). «Анализ выдыхаемого воздуха: обзор «захватывающих» методов офлайн-анализа». Метаболомика . 13 (10): 110. doi :10.1007/s11306-017-1241-8. ISSN  1573-3882. PMC 5563344.  PMID 28867989  .
2. Фархи, Л. Э. (1967). «Выделение инертного газа легкими». Физиология дыхания . 3 (1): 1–11. doi :10.1016/0034-5687(67)90018-7. PMID  6059100.
3. Эйнох Амор, Риф; Нахлех, Морад К.; Бараш, Орна; Хайк, Хоссам (2019-06-30). «Анализ дыхания при раке в настоящем и будущем». European Respiratory Review . 28 (152): 190002. doi : 10.1183/16000617.0002-2019 . ISSN  0905-9180. PMC 9489002. PMID 31243094  . 
4. "Инзет SpiroNose stappen dichterbij gekomen" . Лонгфонды . 26 февраля 2020 г. . Проверено 14 августа 2020 г.
5. Дент, Аннетт Г.; Сутеджа, Том Г.; Циммерман, Пол В. (2013-09-26). «Анализ выдыхаемого воздуха при раке легких». Журнал торакальных заболеваний . 5 (5): S540–S550–S550. doi :10.3978/j.issn.2072-1439.2013.08.44. ISSN  2077-6624. PMC 3804873. PMID 24163746  . 
6. Полинг, Л.; Робинсон, А. Б.; Тераниши, Р.; Кэри, П. (1971-10-01). «Количественный анализ паров мочи и дыхания методом газожидкостной хроматографии». Труды Национальной академии наук . 68 (10): 2374–2376. Bibcode : 1971PNAS...68.2374P. doi : 10.1073/pnas.68.10.2374 . ISSN  0027-8424. PMC 389425. PMID 5289873  . 
7. Филлипс, Майкл; Глисон, Кевин; Хьюз, Дж. Майкл Б.; Гринберг, Джоэл; Катанео, Рене Н.; Бейкер, Ли; Маквей, В. Патрик (1999). «Летучие органические соединения в дыхании как маркеры рака легких: поперечное исследование». The Lancet . 353 (9168): 1930–1933. doi :10.1016/S0140-6736(98)07552-7. PMID  10371572. S2CID  6331709.
8. Антониу, С.Х.; Год, Э.; Рупарель, М.; ван дер Шее, МП; Джейнс, СМ.; Ринтул, Р.К.; от имени исследовательской группы LuCID (24.04.2019). «Потенциал анализа дыхания для улучшения результатов лечения пациентов с раком легких». Журнал исследований дыхания . 13 (3): 034002. Bibcode : 2019JBR....13c4002A. doi : 10.1088/1752-7163/ab0bee. ISSN  1752-7163. PMID  30822771. S2CID  73482502.
9. Leunis, Nicoline; Boumans, Marie-Louise; Kremer, Bernd; Din, Sinh; Stobberingh, Ellen; Kessels, Alfons GH; Kross, Kenneth W. (июнь 2014 г.). «Применение электронного носа в диагностике рака головы и шеи: использование электронного носа при раке головы и шеи». The Laryngoscope . 124 (6): 1377–1381. doi :10.1002/lary.24463. PMID  24142627. S2CID  206201540.
10. Шальшмидт, Кристин; Беккер, Роланд; Юнг, Кристиан; Бремсер, Вольфрам; Уоллес, Торстен; Нойдекер, Йенс; Лешбер, Гунда; Фрезе, Штеффен; Нельс, Ирен (12.10.2016). «Сравнение летучих органических соединений у пациентов с раком легких и здоровых лиц — проблемы и ограничения наблюдательного исследования». Журнал исследований дыхания . 10 (4): 046007. Bibcode : 2016JBR....10d6007S. doi : 10.1088/1752-7155/10/4/046007. ISSN  1752-7163. PMID  27732569. S2CID  40896592.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
11. Лоренсу, Селия; Тернер, Клэр (2014-06-20). «Анализ дыхания в диагностике заболеваний: методологические соображения и применение». Метаболиты . 4 (2): 465–498. doi : 10.3390/metabo4020465 . ISSN  2218-1989. PMC 4101517. PMID 24957037  . 
12. Ханна, Джордж Б.; Бошир, Пирс Р.; Маркар, Шераз Р.; Романо, Андреа (10.01.2019). «Точность и методологические проблемы тестов на основе летучих органических соединений для диагностики рака: систематический обзор и метаанализ». JAMA Oncology . 5 (1): e182815. doi :10.1001/jamaoncol.2018.2815. ISSN  2374-2437. PMC 6439770 . PMID  30128487. 
13. Vries, R. de; Brinkman, P.; Schee, MP van der; Fens, N.; Dijkers, E.; Bootsma, SK; Jongh, FHC de; Sterk, PJ (октябрь 2015 г.). «Интеграция технологии электронного носа со спирометрией: валидация нового подхода к анализу выдыхаемого воздуха». Journal of Breath Research . 9 (4): 046001. Bibcode : 2015JBR.....9d6001D. doi : 10.1088/1752-7155/9/4/046001 . ISSN  1752-7163. PMID  26469298.
14. Фрис, Рианна де; Дагелет, Йеннес ВФ; Спур, Пьен; Снуи, Эрик; Джек, Патрик MC; Бринкман, Пол; Дийкерс, Эрика; Бутсма, Саймон К.; Эльскамп, Фред; Йонг, Франс ХК де; Хаарман, Эрик Г.; Вин, Йоханнес CCM в 'т; Зи, Анке-Хилсе Мейтланд-ван дер; Стерк, Питер Дж. (1 января 2018 г.). «Клиническое и воспалительное фенотипирование методом дыхания при хронических заболеваниях дыхательных путей независимо от диагностической метки». Европейский респираторный журнал . 51 (1). дои : 10.1183/13993003.01817-2017 . ISSN  0903-1936. ПМИД  29326334.
15. Синха, Р.; Галлахер, И. Дж.; Локман, КА; Шамуло, РАФМ; Яап, А. Дж.; Хейс, П. К.; Плеврис, Дж. Н. (11–15 апреля 2018 г.). «Электронный носовой отпечаток дыхания отличает неалкогольную жировую болезнь печени от здорового контроля худобы: пилотное исследование» (PDF) . Париж, Франция: Международная конференция по печени 2018 г. Получено 11 августа 2024 г.
16. Леон Э. Фархи: Выделение инертного газа легкими, Физиология дыхания 3 (1967) 1–11
17. Джулиан Кинг, Александр Купферталер, Карл Унтеркофлер, Хелин Кок, Сюзанна Тешль , Джеральд Тешль , Вольфрам Микиш, Йохен Шуберт, Хартманн Хинтерхубер и Антон Аманн : Профили концентрации изопрена и ацетона во время упражнений на эргометре , J. Breath Research 3, ( 2009) 027006 (16 стр) [1]
18. Джулиан Кинг, Хелин Коч, Карл Унтеркофлер, Павел Мохальски, Александр Купферталер, Джеральд Тешль, Сюзанна Тешль, Хартманн Хинтерхубер и Антон Аманн: Физиологическое моделирование динамики изопрена в выдыхаемом воздухе, J. Theoret. Biol. 267 (2010), 626–637, [2]
19. Джулиан Кинг, Карл Унтеркофлер, Джеральд Тешль, Сюзанна Тешль, Хелин Кок, Хартманн Хинтерхубер и Антон Аманн: Математическая модель для анализа выдыхаемого газа на наличие летучих органических соединений с особым акцентом на ацетон, J. Math. Biol. 63 (2011), 959-999, [3]
20. Фаррайя, Мариана; Руфо, Жоау Кавалейру; Пасиенсия, Инес; Мендес, Франсиска Кастро; Родольфо, Ана; Рама, Тьяго; Роча, Сильвия М.; Дельгадо, Луис; Бринкман, Пол; Морейра, Андре (июль 2020 г.). «Анализ летучих веществ человека с использованием eNose для оценки неконтролируемой астмы в клинических условиях» (PDF) . Аллергия . 75 (7). США: Уайли: 1630–1639 гг. дои : 10.1111/all.14207. ISSN  1398-9995. PMID  31997360. S2CID  210946966.
21. Майкл П. Хластала: Тест на алкоголь в выдыхаемом воздухе — обзор. Архивировано 26 июня 2011 г. в Wayback Machine , Журнал прикладной физиологии (1998) т. 84 № 2, 401–408.
22. Тарик Саиди, Омар Заим, Мохаммед Муфид, Нежа Эль Бари, Раду Ионеску, Беначир Бушики: Анализ выдыхаемого воздуха с использованием электронного носа и газовой хроматографии-масс-спектрометрии для неинвазивной диагностики хронического заболевания почек, сахарного диабета и здоровых людей, Датчики и приводы B: Химия 257 (2018) 178-188.
23. Электронный нос НАСА может обнаружить рак, New Scientist, 27 августа 2008 г.
24. Хини, Лиам М.; Рушкевич, Дорота М.; Артур, Кейли Л.; Хаджитекли, Андрия; Олдкрофт, Клайв; Линдли, Мартин Р.; Томас, CL Пол; Тернер, Мэтью А.; Рейнольдс, Джеймс К. (2016). «Мониторинг выдыхаемых летучих веществ в реальном времени с использованием химической ионизации при атмосферном давлении на компактном масс-спектрометре». Биоанализ . 8 (13): 1325–1336. doi :10.4155/bio-2016-0045. PMID  27277875. S2CID  22817790.
25. Хини, Лиам М.; Линдли, Мартин Р. (2017). «Трансляция анализов летучих веществ выдыхаемого воздуха в спортивные и физические упражнения». Метаболомика . 13 (11). doi :10.1007/s11306-017-1266-z. hdl : 2381/40421 . S2CID  207266001.
26. Bruderer, Tobias; Gaisl, Thomas; Gaugg, Martin T.; Nowak, Nora; Streckenbach, Bettina; Müller, Simona; Moeller, Alexander; Kohler, Malcolm; Zenobi, Renato (2019-10-09). "Онлайн-анализ выдыхаемого воздуха: обзор Focus". Chemical Reviews . 119 (19): 10803–10828. doi :10.1021/acs.chemrev.9b00005. hdl : 20.500.11850/372767 . ISSN  0009-2665. PMID  31594311. S2CID  202036999.
27. "Fossiliontech - Анализ дыхания". Технология ископаемого иона - Инструментарий для исследования дыхания . Получено 29.05.2019 .
28. Сингх, Капил Дев; Танцев, Георги; Декрю, Фабьен; Уземанн, Якоб; Аппенцеллер, Рея; Баррейро, Педро; Хаума, Габриэль; Масия Сантьяго, Мириам; Видал де Мигель, Гильермо (15.04.2019). «Стандартизация процедур для анализа дыхания в реальном времени с помощью вторичной электрораспылительной ионизации с высоким разрешением масс-спектрометрии». Аналитическая и биоаналитическая химия . 411 (19): 4883–4898. doi :10.1007/s00216-019-01764-8. ISSN  1618-2650. PMC 6611759. PMID 30989265  . 

Внешние ссылки

• Международная ассоциация исследований дыхания (IABR)
• Журнал исследований дыхания
• Инициатива «Глубокий вдох»
• Исследование дыхания Sinueslab