Анализ дыхательного газа - Breath gas analysis

Анализ дыхательного газа
Цельполучение информации о клиническом состоянии человека путем мониторинга летучих органических соединений, присутствующих в выдыхаемом воздухе

Анализ дыхательного газа это метод получения информации о клиническом состоянии человека путем мониторинга летучие органические соединения (ЛОС) присутствуют в выдыхаемом дыхание. Выдыхаемый воздух естественным образом производится человек тело до истечения срока годности и, следовательно, его можно собирать неинвазивным способом и неограниченным образом.[1] ЛОС в выдыхаемом воздухе могут представлять биомаркеры при определенных патологиях (рак легких, астма, хроническая обструктивная болезнь легких и другие). Затем концентрацию дыхательного газа можно связать с кровь концентрации через математическое моделирование как например в алкоголь в крови тестирование.[2] Существуют различные методы, которые можно использовать для сбора и анализа выдыхаемого воздуха. Исследования выдыхаемого воздуха начались много лет назад, и в настоящее время его клиническое применение для диагностики заболеваний ограничено.[3] Однако это может измениться в ближайшем будущем, поскольку в настоящее время в мире начинаются масштабные исследования по внедрению.[4] с использованием онлайн-решения для электронного носа: BreathBase.[5]

История

Лавуазер в своей лаборатории изучает дыхание человека.

Известно, что со времен Гиппократ, анализ выдыхаемого воздуха проводился с целью диагностики заболевания. Например, считалось, что выдыхаемый воздух сахарный диабет от человека пахло сладким, а от людей, страдающих почечная недостаточность запах был похож на рыбу.[6] Только с Лавуазье чистый запах выдыхаемого человеком дыхания был заменен систематическим анализом химического состава. Область современных тестов дыхания началась в 1971 году, когда Нобелевская премия победитель Линус Полинг продемонстрировали, что дыхание человека представляет собой сложный газ, содержащий более 200 различных ЛОС.[7] Позже Филлипс идентифицировал более 3000 летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе.[8] В последние годы многие ученые сосредоточились на анализе выдыхаемого воздуха с целью выявления конкретных заболеваний. биомаркеры на ранних стадиях. Рак легких,[9] ХОБЛ, рак головы и шеи[10] входят в число заболеваний, которые рассматривались для выявления биомаркеров. Даже если анализ выдыхаемого воздуха начался много лет назад, его до сих пор нет в клинической практике для диагностики заболеваний. В основном это связано с отсутствием стандартизации клинических тестов, как процедур сбора выдыхаемого воздуха, так и их анализа.[11][12][13]Хотя использование так называемых отпечатков дыхания, определяемых этими электронными носами, является многообещающим и, похоже, позволяет различать рак легких, ХОБЛ и астму,[14]. Они также, кажется, способны обнаруживать различные фенотипы астмы и ХОБЛ.[15] и другие болезни[16]

Обзор

Эндогенный летучие органические соединения (ЛОС) выделяются в человеческом организме в результате нормального метаболический активности или вследствие патологических нарушений. Они попадают в кровоток и в конечном итоге метаболизируются или выводятся через выдох, кожа эмиссия моча, так далее.

Отбор проб дыхания является неинвазивным, и образцы дыхания можно брать сколь угодно часто.[17]

Выявление и количественная оценка потенциального заболевания биомаркеры можно рассматривать как движущую силу для анализа выдыхаемого воздуха. Более того, в будущем предполагается применение для медицинской диагностики и контроля терапии с динамическими оценками нормальной физиологической функции или фармакодинамики.

Экзогенный ЛОС, проникающие в организм в результате воздействия окружающей среды, можно использовать для количественной оценки нагрузки на организм. Кроме того, дыхательные тесты часто основаны на приеме внутрь меченных изотопами прекурсоров, производящих меченые изотопами углекислый газ и, возможно, многие другие метаболиты.

Однако отбор проб дыхания далеко не стандартизованная процедура из-за множества смешивающих факторов, влияющих на концентрацию летучих веществ в выдыхаемом воздухе. Эти факторы связаны как с протоколами отбора проб дыхания, так и со сложными физиологическими механизмами, лежащими в основе легочный газообмен. Даже в условиях покоя на концентрацию ЛОС в выдыхаемом воздухе могут сильно влиять определенные физиологические параметры, такие как сердечный выброс и характер дыхания, в зависимости от физико-химических свойств исследуемого соединения.

Понимание влияния всех этих факторов и их контроль необходимо для достижения точной стандартизации отбора проб дыхания и правильного определения соответствующих уровней концентрации в крови.

Простейшая модель, связывающая концентрацию дыхательного газа с концентрацией в крови, была разработана Фархи.[18]

куда обозначает альвеолярную концентрацию, которая предполагается равной измеренной концентрации. Он выражает тот факт, что концентрация инертного газа в альвеолярном воздухе зависит от смешанной венозной концентрации , специфическое вещество кровь: воздух Коэффициент распределения , а соотношение вентиляция-перфузия Но эта модель терпит неудачу, когда два прототипа вещества, такие как ацетон (Коэффициент распределения ) или же изопрен (Коэффициент распределения ) измеряются.[19]

Например, умножение предлагаемого среднего значения совокупности приблизительно на ацетон в конце выдоха по коэффициенту распределения при температуре тела сильно занижает наблюдаемые уровни (артериальной) крови, распространяющиеся вокруг . Кроме того, профили дыхания ацетона (и других легкорастворимых летучих соединений, таких как 2-пентанон или метилацетат), связанные с проблемами эргометра с умеренной нагрузкой у нормальных здоровых добровольцев, резко отклоняются от тенденции, предложенной приведенным выше уравнением.

Следовательно, необходимы более совершенные модели. Такие модели были разработаны недавно.[20][21]

Приложения

Анализ дыхательного газа используется в ряде дыхательные тесты.

Коллекционеры дыхания

Дыхание можно собрать с помощью множества самодельных и имеющихся в продаже устройств. Вот несколько примеров средств сбора выдыхаемого воздуха, используемых в исследовательской индустрии для анализа ЛОС:

  • Канистра из нержавеющей стали с покрытием
  • Концевой коллектор приливного воздуха
  • Сумка из тедлара
  • Пробоотборник дыхания ReCIVA®[27]

Первые три устройства могут использоваться в качестве средства для прямого ввода пробы газа в соответствующий аналитический прибор или служить резервуаром для выдыхаемого газа, в который помещается абсорбционное устройство, такое как волокно SPME, для сбора определенных соединений. Пробоотборник дыхания ReCIVA - одно из последних достижений в области анализа дыхания. В настоящее время он используется в крупнейшем в мире исследовании рака легких на основе дыхания.[28][29]

Онлайн-анализ

Дыхание также можно анализировать в интерактивном режиме, что позволяет получить представление о метаболизме человека без необходимости подготовки или сбора образцов.[30] Технологии, позволяющие анализировать дыхание в реальном времени, включают:

Анализ дыхания очень уязвим для смешивающих факторов. Преимущество анализа дыхания в реальном времени состоит в том, что исключаются потенциальные мешающие факторы, связанные с обработкой проб и манипуляциями с ними. Недавние усилия были сосредоточены на стандартизации процедур анализа дыхания в режиме онлайн на основе SESI -MS, а также для систематического изучения и сокращения других источников изменчивости.[32]

Современное состояние в области дыхания и анализа дыхания - это универсальное решение BreathBase®. Это позволяет легко классифицировать,[33] фенотипирование,[15] прогнозирование терапевтического ответа с высокой точностью.[34] Вместо количественного определения каждого ЛОС, измерение основано на перекрестно-реактивных неспецифических массивах датчиков, которые намеренно не идентифицируют отдельные ЛОС. ЛОС конкурентно взаимодействуют с датчиками, позволяя нескольким ЛОС связываться с одним и тем же датчиком в зависимости от их сродства как с датчиком, так и с его подложкой. Точно так же несколько датчиков взаимодействуют с одним и тем же летучим веществом. Примечательно, что это сравнимо с мощной обонятельной системой млекопитающих и приводит к образцу срабатывания датчиков, который управляется полной смесью ЛОС.[35]

Аналитические инструменты

Анализ дыхания может быть выполнен с помощью различных форм масс-спектрометрии, но есть и более простые методы для конкретных целей, такие как Галиметр и алкотестер.

  • Газовая хроматография-масс-спектрометрия ГХ-МС
  • Газовая хроматография-УФ-спектрометрия GC-UV
  • Масс-спектрометрия реакции переноса протона ПТР-МС и PTR-TOF
  • Масс-спектрометрия с проточной трубкой для выбранных ионов SIFT-MS
  • Спектрометрия ионной подвижности IMS
  • Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье FTIR
  • Лазерная спектрометрия Спектроскопия
  • Химические сенсоры соотв. Электронный нос
  • Вторичная ионизация электрораспылением SESI-MS

Рекомендации

  1. ^ Лаваль, Олувасола; Ahmed, Waqar M .; Nijsen, Тамара М. Э .; Goodacre, Ройстон; Фаулер, Стивен Дж. (Октябрь 2017 г.). «Анализ выдыхаемого воздуха: обзор« захватывающих »методов автономного анализа». Метаболомика. 13 (10): 110. Дои:10.1007 / s11306-017-1241-8. ISSN  1573-3882. ЧВК  5563344. PMID  28867989.
  2. ^ Фархи, Л. (1967). «Удаление инертного газа легкими». Физиология дыхания. 3 (1): 1–11. Дои:10.1016/0034-5687(67)90018-7. PMID  6059100.
  3. ^ Эйнох Амор, Риф; Nakhleh, Morad K .; Бараш, Орна; Хейк, Хоссам (30.06.2019). «Дыхательный анализ рака в настоящем и будущем». Европейский респираторный обзор. 28 (152): 190002. Дои:10.1183/16000617.0002-2019. ISSN  0905-9180. PMID  31243094.
  4. ^ "Inzet SpiroNose stappen dichterbij gekomen". Longfonds. 26 февраля 2020 г.. Получено 14 августа, 2020.
  5. ^ «Решение BreathBase® | Breathomix». Получено 14 августа, 2020.
  6. ^ Dent, Annette G .; Sutedja, Tom G .; Циммерман, Пол В. (26.09.2013). «Анализ выдыхаемого воздуха на рак легких». Журнал торакальных заболеваний. 5 (5): S540 – S550 – S550. Дои:10.3978 / j.issn.2072-1439.2013.08.44. ISSN  2077-6624. ЧВК  3804873. PMID  24163746.
  7. ^ Pauling, L .; Робинсон, А. Б .; Teranishi, R .; Кэри, П. (1971-10-01). «Количественный анализ паров мочи и дыхания методом газожидкостной хроматографии». Труды Национальной академии наук. 68 (10): 2374–2376. Bibcode:1971ПНАС ... 68.2374П. Дои:10.1073 / pnas.68.10.2374. ISSN  0027-8424. ЧВК  389425. PMID  5289873.
  8. ^ 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». Ланцет. 353 (9168): 1930–1933. Дои:10.1016 / S0140-6736 (98) 07552-7. PMID  10371572. S2CID  6331709.
  9. ^ Антониу, S X; Gaude, E; Рупарел, М; ван дер Ши, М. П.; Джейнс, С. М.; Ринтул, Р. от имени исследовательской группы LuCID (2019-04-24). «Потенциал анализа дыхания для улучшения результатов для пациентов с раком легких». Журнал исследования дыхания. 13 (3): 034002. Bibcode:2019JBR .... 13c4002A. Дои:10.1088 / 1752-7163 / ab0bee. ISSN  1752-7163. PMID  30822771. S2CID  73482502.
  10. ^ Леунис, Николайн; Буманс, Мария-Луиза; Кремер, Бернд; Дин, Синх; Стобберинг, Эллен; Kessels, Alfons G.H .; Кросс, Кеннет В. (июнь 2014 г.). «Применение электронного носа в диагностике рака головы и шеи: использование электронного носа при раке головы и шеи». Ларингоскоп. 124 (6): 1377–1381. Дои:10.1002 / lary.24463. PMID  24142627. S2CID  206201540.
  11. ^ Шалльшмидт, Кристин; Беккер, Роланд; Юнг, Кристиан; Бремзер, Вольфрам; Уоллес, Торстен; Нойдекер, Йенс; Лешбер, Гунда; Фрезе, Штеффен; Нелс, Ирен (12 октября 2016 г.). «Сравнение летучих органических соединений от пациентов с раком легких и здоровых людей - проблемы и ограничения наблюдательного исследования». Журнал исследования дыхания. 10 (4): 046007. Bibcode:2016JBR .... 10d6007S. Дои:10.1088/1752-7155/10/4/046007. ISSN  1752-7163. PMID  27732569.[постоянная мертвая ссылка ]
  12. ^ Лоуренсу, Селия; Тернер, Клэр (2014-06-20). «Анализ дыхания в диагностике заболеваний: методологические аспекты и применение». Метаболиты. 4 (2): 465–498. Дои:10.3390 / metabo4020465. ISSN  2218-1989. ЧВК  4101517. PMID  24957037.
  13. ^ Ханна, Джордж Б .; Boshier, Piers R .; Маркар, Шераз Р .; Романо, Андреа (10 января 2019). «Точность и методологические проблемы тестов на выдыхаемом воздухе на основе летучих органических соединений для диагностики рака: систематический обзор и метаанализ». JAMA Онкология. 5 (1): e182815. Дои:10.1001 / jamaoncol.2018.2815. ISSN  2374-2437. ЧВК  6439770. PMID  30128487.
  14. ^ Vries, R. de; Brinkman, P .; Schee, M. P. van der; Fens, N .; Dijkers, E .; Бутсма, С. К .; Jongh, F.H.C. de; Стерк, П. Дж. (Октябрь 2015 г.). «Интеграция технологии электронного носа со спирометрией: проверка нового подхода к анализу выдыхаемого воздуха». Журнал исследования дыхания. 9 (4): 046001. Bibcode:2015JBR ..... 9d6001D. Дои:10.1088/1752-7155/9/4/046001. ISSN  1752-7163. PMID  26469298.
  15. ^ а б Врис, Рианна де; Dagelet, Yennece W. F .; Spoor, Pien; Сной, Эрик; Джейк, Патрик М. С .; Бринкман, Пол; Дейкерс, Эрика; Бутсма, Саймон К .; Эльскэмп, Фред; Jongh, Frans H.C. de; Хаарман, Эрик Дж .; Вин, Йоханнес К. С. М. ин 'т; Зи, Анке-Хилсе Мейтланд-ван дер; Стерк, Питер Дж. (1 января 2018 г.). «Клиническое и воспалительное фенотипирование с помощью дыхательной техники при хронических заболеваниях дыхательных путей независимо от диагностической метки». Европейский респираторный журнал. 51 (1). Дои:10.1183/13993003.01817-2017. ISSN  0903-1936. PMID  29326334.
  16. ^ https://www.ed.ac.uk/files/atoms/files/easl_posters_rs_0.pdf
  17. ^ Х. Кок, К. Унтеркофлер, С. Тешл и Дж. Кинг: «Математическое моделирование для анализа дыхательных газов», 3. Forschungsforum der Österreichischen Fachhochschulen, Wien 2011. [1][постоянная мертвая ссылка ]
  18. ^ Леон Э. Фархи: Удаление инертного газа легкими, Физиология дыхания 3 (1967) 1–11
  19. ^ Джулиан Кинг, Александр Купферталер, Карл Унтеркофлер, Хелин Коч, Сюзанна Тешл, Джеральд Тешл, Вольфрам Микиш, Йохен Шуберт, Хартманн Хинтерхубер и Антон Аманн: Профили концентрации изопрена и ацетона во время тренировки на эргометре, J. Breath Research 3, (2009) 027006 (16 стр.) [2]
  20. ^ Джулиан Кинг, Хелин Коч, Карл Унтеркофлер, Павел Мочальски, Александр Купферталер, Джеральд Тешль, Сюзанна Тешль, Хартманн Хинтерхубер и Антон Аманн: Физиологическое моделирование динамики изопрена на выдохе, J. Теорет. Биол. 267 (2010), 626–637, [3]
  21. ^ Джулиан Кинг, Карл Унтеркофлер, Джеральд Тешль, Сюзанна Тешл, Хелин Кок, Хартманн Хинтерхубер и Антон Аманн: Математическая модель газового анализа летучих органических соединений с особым упором на ацетон, J. Math. Биол. 63 (2011), 959-999, [4]
  22. ^ Майкл П. Хластала: Дыхательный тест на алкоголь - обзор В архиве 2011-06-26 на Wayback Machine, Журнал прикладной физиологии (1998), т. 84 нет. 2, 401–408.
  23. ^ Тарик Саиди, Омар Заим, Мохаммед Муфид, Нежа Эль Бари, Раду Ионеску, Бенахир Бушихи: Анализ выдыхаемого воздуха с использованием электронного носа и газовой хроматографии-масс-спектрометрии для неинвазивной диагностики хронической болезни почек, сахарного диабета и здоровых людей, Датчики и исполнительные механизмы B: химические 257 (2018) 178-188.
  24. ^ Электронный нос НАСА может вынюхивать рак, New Scientist, 27 августа 2008 г.
  25. ^ Хини, Лиам М .; Ruszkiewicz, Dorota M .; Артур, Кейли Л .; Хаджитекли, Андрия; Олдкрофт, Клайв; Lindley, Martin R .; Thomas, CL Paul; Тернер, Мэтью А .; Рейнольдс, Джеймс С. (2016). «Мониторинг выдыхаемых летучих веществ в реальном времени с помощью химической ионизации атмосферного давления на компактном масс-спектрометре». Биоанализ. 8 (13): 1325–1336. Дои:10.4155 / био-2016-0045. PMID  27277875.
  26. ^ Хини, Лиам М .; Линдли, Мартин Р. (2017). «Перевод летучих анализов выдыхаемого воздуха в приложения для спорта и физических упражнений». Метаболомика. 13 (11). Дои:10.1007 / s11306-017-1266-z. S2CID  207266001.
  27. ^ «Пробоотборник дыхания ReCIVA®».
  28. ^ "Обнаружение индикатора рака легких - просмотр полного текста - ClinicalTrials.gov". Clinicaltrials.gov. Получено 14 августа, 2020.
  29. ^ «ЛюСИД».
  30. ^ а б Брудерер, Тобиас; Гайсл, Томас; Gaugg, Martin T .; Новак, Нора; Штрекенбах, Беттина; Мюллер, Симона; Мёллер, Александр; Колер, Малькольм; Зеноби, Ренато (9.10.2019). «Онлайн-анализ выдыхаемого дыхания: обзор фокуса». Химические обзоры. 119 (19): 10803–10828. Дои:10.1021 / acs.chemrev.9b00005. HDL:20.500.11850/372767. ISSN  0009-2665. PMID  31594311.
  31. ^ «Fossiliontech - Анализ дыхания». Технология ископаемых ионов - Приборы для исследования дыхания. Получено 2019-05-29.
  32. ^ Сингх, Капил Дев; Танцев, Георгий; Декрю, Фабьен; Усеманн, Якоб; Аппенцеллер, Рея; Баррейро, Педро; Джаума, Габриэль; Масиа Сантьяго, Мириам; Видаль де Мигель, Гильермо (2019-04-15). «Стандартизация процедур анализа дыхания в реальном времени с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения с вторичной ионизацией электрораспылением». Аналитическая и биоаналитическая химия. 411 (19): 4883–4898. Дои:10.1007 / s00216-019-01764-8. ISSN  1618-2650. ЧВК  6611759. PMID  30989265.
  33. ^ de Vries, R; Бринкман, П; ван дер Ши, М. П.; Fens, N; Dijkers, E; Bootsma, S.K; de Jongh, FH C; Стерк, П. Дж. (15 октября 2015 г.). «Интеграция технологии электронного носа со спирометрией: проверка нового подхода к анализу выдыхаемого воздуха». Журнал исследования дыхания. 9 (4): 046001. Bibcode:2015JBR ..... 9d6001D. Дои:10.1088/1752-7155/9/4/046001. ISSN  1752-7163. PMID  26469298.
  34. ^ Vries, R. de; Muller, M .; Ноорт, В. ван дер; Theelen, W. S. M. E .; Schouten, R.D .; Hummelink, K .; Muller, S. H .; Wolf-Lansdorf, M .; Dagelet, J. W. F .; Монкхорст, К .; Зи, А. Х. Мейтланд-ван дер; Baas, P .; Sterk, P.J .; Хеувель, М. М. ван ден (1 октября 2019 г.). «Прогнозирование ответа на терапию анти-PD-1 у пациентов с немелкоклеточным раком легкого с помощью электронного носового анализа выдыхаемого воздуха». Анналы онкологии. 30 (10): 1660–1666. Дои:10.1093 / annonc / mdz279. ISSN  0923-7534. PMID  31529107.
  35. ^ «Платформа BreathBase® | Breathomix». Получено 14 августа, 2020.

внешняя ссылка