Die Rolle der Atemanalyse bei der Diagnose von Krankheiten

Schlüsselmetaboliten des Atems
Gängige Techniken im Zusammenhang mit der Atemanalyse
Sammlung und Analyse gespeicherter Atemproben
Krankheitsdiagnose mit flüchtigen Biomarkern
Kommerzielle Produktion von Atemanalysegeräten zur Krankheitserkennung
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Der Atem ist eine wichtige Matrix für die Analyse flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs), die im Körper erzeugt werden. Diese Verbindungen wandern durch das Blut im Körper, erreichen die Alveolarschnittstelle und werden schließlich ausgeatmet. Die Analyse der ausgeatmeten Luft zum Nachweis von VOCs könnte den kranken oder gesunden Zustand einer Person anzeigen.

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Forscher haben den Beweis für das Vorhandensein von nachweisbaren VOCs im Atem im Zusammenhang mit Brust- und Lungenkrebs dokumentiert. Die wissenschaftliche Gemeinschaft war sehr daran interessiert, alle Parameter zu identifizieren, die das Vorhandensein von VOCs in der ausgeatmeten Luft beeinflussen. In diesem Zusammenhang hat es sich auf die Standardisierung der Methodik für die Atemprobenahme und -analyse konzentriert. Die Atemanalyse kann zu einer schnellen und nicht-invasiven Erkennung verschiedener Krankheiten wie Diabetes und Krebs führen.

Schlüsselmetaboliten des Atems

Typischerweise besteht die ausgeatmete Luft aus unmodifiziertem Stickstoff (~ 74 %), Argon (~ 1 %), Sauerstoff (~ 15 %), Kohlendioxid (~ 5 %) und Wasserdampf (~ 6 %). Darüber hinaus sind mehrere endogen gebildete gasförmige flüchtige Metaboliten im ausgeatmeten Atem in Spurenmengen vorhanden, die in Teilen pro Million Volumen (ppmv), Teilen pro Billion Volumen (pptv) oder Teilen pro Milliarde Volumen (ppbv) gemessen werden.

Forscher haben bei mehreren gesunden Personen 30 Tage lang gemeinsame Atemmetaboliten wie Aceton, Methanol, Ammoniak, Acetaldehyd, Propanol, Isopren und Ethanol nachgewiesen. Diese Metaboliten wurden mit der Selected-Ion-Flow-Tube-Massenspektrometrie (SIFT-MS)-Methode nachgewiesen. Die Variabilität der Konzentrationen dieser Metaboliten wurde bewertet, und die logarithmische Normalverteilung für diese Metaboliten wurde untersucht.

Ammoniak kommt im Körper als Abbauprodukt von Proteinen durch bakteriellen Abbau im Darm vor. Obwohl ein großer Teil des Ammoniaks in Harnstoff umgewandelt und mit dem Urin ausgeschieden wird, wird ein kleiner Teil über die Atemluft ausgeschieden. Die Konzentration von Ethanol und Methanol kann aufgrund der anaeroben Fermentation durch Darmbakterien ansteigen. Das Vorhandensein von Isopren im menschlichen Atem gilt als Marker für die Cholesterinsynthese. Darüber hinaus haben Wissenschaftler herausgefunden, dass ein abnormaler Isoprenspiegel im menschlichen Atem auf Nierenversagen im Endstadium und oxidativen Stress hinweist.

Gängige Techniken im Zusammenhang mit der Atemanalyse

Zwei der Analysewerkzeuge, die zur Atemanalyse zum Nachweis und zur Quantifizierung von Spurengasen in Echtzeit mit hoher Empfindlichkeit verwendet werden, sind die Protonentransferreaktions-Massenspektrometrie (PTR-MS) und SIFT-MS. Sowohl PTR-MS als auch SIFT-MS sind als sanfte Ionisationstechniken bekannt, die in den Atemproben vorhandene Biomarker im Bereich von ppbv bis pptv erkennen können. Obwohl SIFT-MS weniger empfindlich als PTR-MS ist, ist es vorteilhaft, weil es kein elektrisches Feld verwendet und Reaktionen unter thermischen Bedingungen stattfinden.

Forscher haben auch Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) und Laserabsorptionsspektroskopie (LAS) bei der Atemanalyse eingesetzt. Auf LAS basierende Cavity-Ringdown-Spektroskopie (CRDS) wurde verwendet, um Distickstoffmonoxid (NO) in der ausgeatmeten Luft zu messen. Diese Technik kann VOCs im Atem unterhalb von Teilen pro Milliarde nach Volumen quantifizieren.

Electron Noses (e-Noses) ist ein elektronisches Sensorgerät, das eine Reihe von gas- und halbleiterbasierten Sensoren enthält. Bei der Atemanalyse werden zwei auf massenempfindlichen Sensoren basierende Geräte verwendet, nämlich die Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) und die akustische Oberflächenwelle (SAW).

Sammlung und Analyse gespeicherter Atemproben

Die direkte Probenahme ist für die Atemanalyse vorzuziehen, da sie die Möglichkeit eines Verlusts von Verbindungen durch Diffusion oder Probenabbau begrenzt. In dem Szenario, in dem eine direkte Probenahme nicht möglich ist, ist ein geeignetes Speichersystem für die ausgeatmete Luft jedoch ein wichtiger Aspekt. Die Wissenschaftler wiesen auf das Risiko einer Kontamination der Atemproben durch Hintergrundemissionen von Schadstoffen hin, die die Chemie der gelagerten Proben verändern könnten.

Derzeit werden inerte Tedlar-Beutel mit vielen Weiterentwicklungen von vielen Unternehmen wie Dupont und SKC Ltd. hergestellt. Diese Beutel sind transparent oder schwarz und basieren auf verschiedenen Komponenten wie Nalophan, Flexfoil und Teflon. Frühere Studien haben gezeigt, dass Nalophan-Beutel kostengünstig und am beliebtesten zum Sammeln von Atemproben sind. Die Stabilität der Atemkomponenten in Tedlar-Beutel wurde durch Gaschromatographie-MS (GC-MS) und PTR-MS bestimmt.

Der gespeicherte Atem wurde mit verschiedenen Methoden wie der Nadelfallen-Mikroextraktion (NTME) in Kombination mit GC und Festphasen-Mikroextraktion (SPME) auf das Vorhandensein von VOCs analysiert..

Krankheitsdiagnose mit flüchtigen Biomarkern

Wissenschaftler bewerteten SIFT-MS- und PTR-MS-Technologien, um festzustellen, ob sie Lebererkrankungen erkennen und Diabetes überwachen können. Darüber hinaus wurden diese Techniken auch für die Diagnose verschiedener Krebsarten wie Lungen-, Dickdarm-, Blasen- und Prostatakrebs bewertet.

Könnte ein einfacher Atemtest eine Krankheit diagnostizieren? | Billy Boyle TEDxCambridgeUniversity

Im Zusammenhang mit der Früherkennung von Lungen- und Brustkrebs wurden methylierte Kohlenwasserstoffe als Biomarker vorgeschlagen. Wissenschaftler erklärten, dass das Vorhandensein von Acetaldehyd in der ausgeatmeten Luft über 22 ppb von großer klinischer Bedeutung sein könnte. Obwohl Acetaldehyd ein Zwischenprodukt des Ethanolstoffwechsels in der Leber ist, erhöht Alkoholkonsum seine Konzentration in der Atemluft erheblich. Die Wissenschaftler bestimmten die molekulare Emission der Krebszelllinien CALU-1 und SK-MES und stellten fest, dass sie über den physiologischen Werten liegt.

Von Darmbakterien produzierte VOC werden in die Lunge transportiert und dort ausgeschieden. Zum Beispiel VOCs, die von freigesetzt werden Helicobacter pylori im menschlichen Magen können in der Mundausatemluft nachgewiesen werden. Helicobacter pylori Magen und Darm infizieren, das Gewebe der Magenschleimhaut schädigen und Entzündungen verursachen. Dieser Erreger verursacht beim Menschen Magengeschwüre.

Wissenschaftler haben ein Atemanalysegerät zum Nachweis von Lungentuberkulose entwickelt. In diesem Fall handelt es sich bei den nachgewiesenen Biomarkerverbindungen um Methyl p-Anisat, Methylphenylacetat, Ö-Phenylanisol und Methylnicotinat.

Kommerzielle Produktion von Atemanalysegeräten zur Krankheitserkennung

Owlstone wurde von einer Gruppe von Wissenschaftlern der University of Cambridge gegründet, die „Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry (FAIMS)“ herstellte und verkaufte. Ihre „Breath Biopsy“-Technologie kann VOCs in Atemproben genau profilieren.

Breath Diagnostics, ein in Kentucky ansässiges Start-up-Unternehmen, hat ein Atemdiagnosegerät für Lungenkrebs entwickelt. Es gab an, dass ihr Gerät in 77 % der Fälle gutartige Tumoren von bösartigen Tumoren unterscheiden könne.

New England Breath Technologies ist ein in Massachusetts ansässiges Start-up-Unternehmen, das 2015 gegründet wurde. Dieses Unternehmen hat ein Atemanalysegerät zur Bestimmung des Blutzuckerspiegels entwickelt. Ihr Produkt heißt Glucair, das die Konzentration von Aceton im Atem einer Person erkennt

Verweise

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