Analiza gazów oddechowych - Breath gas analysis

Analiza gazów oddechowych
Cel, powód uzyskanie informacji o stanie klinicznym osobnika poprzez monitorowanie lotnych związków organicznych obecnych w wydychanym powietrzu

Analiza gazów oddechowych to metoda uzyskiwania informacji o stanie klinicznym osoby poprzez monitorowanie lotnych związków organicznych (LZO) obecnych w wydychanym powietrzu . Oddech wydychany jest naturalnie wytwarzany przez organizm człowieka poprzez wydech i dlatego może być zbierany w sposób nieinwazyjny i nieograniczony. LZO w wydychanym powietrzu mogą stanowić biomarkery niektórych patologii ( rak płuc , astma , przewlekła obturacyjna choroba płuc i inne). Stężenie gazu w wydychanym powietrzu można następnie powiązać ze stężeniem we krwi za pomocą modelowania matematycznego, na przykład w badaniu alkoholu we krwi . Istnieje wiele technik, które można wykorzystać do zbierania i analizowania wydechu. Badania nad wydychanym oddechem rozpoczęły się wiele lat temu, obecnie jego kliniczne zastosowanie w diagnostyce chorób jest ograniczone. Może się to jednak zmienić w niedalekiej przyszłości, ponieważ obecnie na całym świecie rozpoczynają się duże badania wdrożeniowe.

Historia

Lavoiser w swoim laboratorium badającym ludzkie oddychanie.

Wiadomo, że od czasów Hipokratesa wykonywano analizę wydychanego powietrza w celu rozpoznania choroby. Na przykład wierzono, że wydychany oddech osoby chorej na cukrzycę ma słodki zapach, podczas gdy u osób dotkniętych niewydolnością nerek zapach rybi. Tylko u Lavoisiera czysty zapach ludzkiego wydychanego oddechu został zastąpiony systematyczną analizą składu chemicznego. Obszar badań z nowoczesnym oddechu rozpoczęła się w 1971 roku, kiedy Nagrodę Nobla zwycięzca Linus Pauling wykazał, że ludzki oddech jest złożonym gaz zawierający ponad 200 różnych VOC. Później Phillips zidentyfikował ponad 3000 lotnych związków organicznych w wydychanym powietrzu. W ostatnich latach wielu naukowców koncentrowało się na analizie wydychanego powietrza w celu identyfikacji biomarkerów specyficznych dla choroby na wczesnych etapach. Rak płuc , POChP , rak głowy i szyi należą do chorób, które brano pod uwagę przy wykrywaniu biomarkerów. Nawet jeśli analizę wydychanego powietrza rozpoczęto wiele lat temu, nadal nie ma jej klinicznego zastosowania do diagnozowania choroby. Wynika to głównie z braku standaryzacji badań klinicznych, zarówno w zakresie procedur pobierania oddechu, jak i ich analizy. Chociaż wykorzystanie tak zwanych odcisków oddechu określanych przez te e-nosy są obiecujące i wydają się być w stanie odróżnić raka płuc, POChP i astmę. Wydaje się również, że są w stanie wykryć różne fenotypy astmy i POChP. i inne choroby

Przegląd

Endogenne lotne związki organiczne (LZO) są uwalniane do organizmu ludzkiego w wyniku normalnej aktywności metabolicznej lub w wyniku zaburzeń patologicznych. Dostają się do krwiobiegu i ostatecznie są metabolizowane lub wydalane przez wydech , emisję przez skórę , mocz itp.

Pobieranie próbek oddechu jest nieinwazyjne, a próbki oddechu można pobierać tak często, jak jest to pożądane.

Identyfikację i kwantyfikację potencjalnych biomarkerów choroby można postrzegać jako siłę napędową analizy oddechu wydychanego. Ponadto planowane są przyszłe zastosowania w diagnostyce medycznej i kontroli terapii z dynamiczną oceną normalnej funkcji fizjologicznej lub farmakodynamiki.

Egzogenne LZO przenikające do organizmu w wyniku narażenia środowiskowego można wykorzystać do ilościowego określenia obciążenia organizmu. Również testy oddechowe często opierają się na spożyciu prekursorów znakowanych izotopowo, wytwarzających znakowany izotopowo dwutlenek węgla i potencjalnie wiele innych metabolitów.

Jednak pobieranie próbek oddechu jest dalekie od standardowej procedury ze względu na liczne mylące czynniki, które wpływają na stężenie substancji lotnych w wydychanym powietrzu. Czynniki te są związane zarówno z protokołami pobierania próbek oddechu, jak i złożonymi mechanizmami fizjologicznymi leżącymi u podstaw wymiany gazowej w płucach . Nawet w warunkach spoczynkowych na stężenie lotnych związków organicznych w wydychanym powietrzu silnie wpływają określone parametry fizjologiczne, takie jak pojemność minutowa serca i wzorce oddychania, w zależności od właściwości fizykochemicznych badanego związku.

Zrozumienie wpływu wszystkich tych czynników i ich kontrolowanie jest niezbędne do osiągnięcia dokładnej standaryzacji pobierania próbek oddechu i prawidłowego wyliczenia odpowiednich poziomów stężenia we krwi.

Najprostszy model łączący stężenie gazu w wydychanym powietrzu ze stężeniem we krwi został opracowany przez Farhi

gdzie oznacza stężenie pęcherzykowe, które, jak się przyjmuje, jest równe zmierzonemu stężeniu. Wyraża fakt, że stężenie gazu obojętnego w powietrzu pęcherzykowym jest uzależniona od stężenia mieszanego żylnej , krew konkretnej substancji air współczynnika podziału , a współczynnik wentylacji perfuzji . Ale ten model zawodzi, gdy mierzone są dwie prototypowe substancje, takie jak aceton (współczynnik podziału ) lub izopren (współczynnik podziału ).

Np. pomnożenie proponowanej średniej populacji około acetonu w oddechu końcowowydechowym przez współczynnik podziału w temperaturze ciała rażąco zaniża obserwowane (tętnicze) poziomy we krwi rozprzestrzeniające się wokół . Co więcej, profile oddechowe acetonu (i innych wysoce rozpuszczalnych związków lotnych, takich jak 2-pentanon lub octan metylu) związane z umiarkowanym obciążeniem ergometrem u normalnych zdrowych ochotników drastycznie odbiegają od trendu sugerowanego przez powyższe równanie.

Dlatego potrzebne są bardziej wyrafinowane modele. Takie modele zostały opracowane niedawno.

Aplikacje

Analiza gazów oddechowych jest wykorzystywana w wielu testach oddechowych .

Kolektory oddechu

Oddech można zebrać za pomocą różnych domowych i dostępnych na rynku urządzeń. Oto kilka przykładów narzędzi do zbierania oddechów używanych w branży badawczej do analizy LZO:

  • Powlekany kanister ze stali nierdzewnej
  • Końcowy kolektor powietrza oddechowego
  • Torba Tedlar

Urządzenia te mogą służyć jako nośnik do bezpośredniego wprowadzenia próbki gazu do odpowiedniego instrumentu analitycznego lub służyć jako zbiornik gazu oddechowego, w którym umieszcza się urządzenie absorpcyjne, takie jak włókno SPME, w celu zebrania określonych związków.

Analiza online

Oddech można również analizować on-line, co pozwala na wgląd w metabolizm danej osoby bez potrzeby przygotowywania lub pobierania próbek. Technologie umożliwiające analizę oddechu w czasie rzeczywistym obejmują:

  • Spektrometria masowa reakcji przeniesienia protonu ( PTR-MS )
  • Wtórna spektrometria mas z jonizacją w elektrorozpylaniu ( SESI-MS )
  • Wybrana spektrometria mas z rurką przepływową jonów ( SIFT-MS )

Analiza oddechu jest bardzo podatna na czynniki zakłócające. Analiza oddechu w czasie rzeczywistym ma tę zaletę, że eliminuje potencjalne czynniki zakłócające związane z obsługą i manipulacją próbką. Ostatnie wysiłki skupiły się na standaryzacji procedur analizy oddechu on-line opartych na SESI- MS oraz na systematycznym badaniu i redukowaniu innych zakłócających źródeł zmienności.

Instrumenty analityczne

Analizę oddechu można wykonać różnymi formami spektrometrii mas, ale istnieją również prostsze metody do konkretnych celów, takie jak Halimeter i alkomat .

Bibliografia

Zewnętrzne linki