Ролята на анализа на дишането при диагностицирането на заболяване

Ключови метаболити на дишането
Общи техники, свързани с анализа на дишането
Събиране и анализ на съхранявани дихателни проби
Диагностика на заболяването с помощта на летливи биомаркери
Търговско производство на дихателни анализатори за откриване на заболявания
Препратки
Допълнителна информация


Дишането е важна матрица за анализиране на летливи органични съединения (ЛОС), които се генерират в тялото. Тези съединения пътуват през кръвта в тялото, достигат до алвеоларния интерфейс и в крайна сметка се издишват. Анализът на издишания дъх за откриване на ЛОС може да покаже болното или здравословното състояние на дадено лице.

Кредит на изображението: PlanetOfVectors / Shutterstock.com

Изследователите са документирали доказателства за наличието на откриваеми ЛОС в дишането, свързани с рак на гърдата и белия дроб. Научната общност е изключително заинтересована да идентифицира всички параметри, влияещи върху наличието на ЛОС в издишания въздух. В този контекст той се фокусира върху стандартизирането на методологията за вземане на проби и анализ на дъха. Анализът на дишането може да доведе до бързо и неинвазивно откриване на различни заболявания, като диабет и рак.

Ключови метаболити на дишането

Обикновено издишаният дъх се състои от немодифициран азот (~ 74%), аргон (~ 1%), кислород (~ 15%), въглероден диоксид (~ 5%) и водна пара (~ 6%). В допълнение, няколко ендогенно образувани газообразни летливи метаболита присъстват в издишания дъх на нива на следи, които се измерват в части на милион обем (ppmv), части на трилион обем (pptv) или части на милиард обем (ppbv).

Изследователите са открили общи метаболити на дишането при няколко здрави индивида в продължение на тридесет дни, като ацетон, метанол, амоняк, ацеталдехид, пропанол, изопрен и етанол. Тези метаболити бяха открити чрез метода за масова спектрометрия с избрана йонна проточна тръба (SIFT-MS). Оценява се променливостта в концентрациите на тези метаболити и е проучено логаритмичното нормално разпределение за тези метаболити.

Амонякът присъства в тялото като продукт на разпадане на протеини чрез бактериално разграждане в червата. Въпреки че голяма част от амоняка се превръща в урея и се елиминира чрез урината, малка част се изхвърля от дъха. Концентрацията на етанол и метанол може да се увеличи поради анаеробна ферментация от чревни бактерии. Наличието на изопрен в човешкия дъх се счита за маркер за синтеза на холестерол. Освен това учените разкриха, че ненормалното ниво на изопрен в човешкия дъх показва краен стадий на бъбречна недостатъчност и оксидативен стрес.

Общи техники, свързани с анализа на дишането

Два от аналитичните инструменти, използвани за анализ на дишането за откриване и количествено определяне на следи от газове в реално време с висока чувствителност, са масспектрометрия с реакция на протонен трансфер (PTR-MS) и SIFT-MS. Както PTR-MS, така и SIFT-MS са известни като техники за мека йонизация, които могат да открият биомаркери, присъстващи в пробите от дишане, вариращи от ppbv до pptv. Въпреки че SIFT-MS е по-малко чувствителен от PTR-MS, той е изгоден, тъй като не използва електрическо поле и реакциите протичат при топлинни условия.

Изследователите също са използвали спектрометрия на йонната мобилност (IMS) и лазерна абсорбционна спектроскопия (LAS) в анализа на дишането. Кухината ringdown спектроскопия (CRDS), базирана на LAS, е използвана за измерване на азотен оксид (NO) в издишания дъх. Тази техника може да определи количествено ЛОС в дъха под части на милиард по обемни нива.

Електронни носове (e-Noses) е електронно сензорно устройство, което съдържа набор от сензори, базирани на газ и полупроводници. При анализа на дишането се използват две чувствителни към масата сензори, а именно кварцов кристален микробаланс (QCM) и повърхностна акустична вълна (SAW).

Събиране и анализ на съхранявани дихателни проби

Директното вземане на проби е за предпочитане за анализа на дишането, тъй като ограничава възможността за загуба на съединения чрез дифузия или разграждане на пробата. Въпреки това, в сценария, при който директното вземане на проби не е възможно, подходяща система за съхранение на издишания въздух е важен аспект. Учените посочиха риска от замърсяване на дихателните проби с фонови емисии на замърсители, което може да промени химичния състав на съхраняваните проби.

В момента инертни чанти Tedlar с много подобрения се произвеждат от много компании, като Dupont и SKC Ltd. Тези торбички са прозрачни или черни и са базирани на различни компоненти, като налофан, флексафолио и тефлон. Предишни проучвания показват, че чантите Nalophan са евтини и най-популярни за събиране на проби от дишане. Стабилността на дихателните компоненти в торбичките Tedlar е определена чрез газова хроматография-MS (GC-MS) и PTR-MS.

Съхраненият дъх е анализиран за наличие на ЛОС чрез различни методи като микроекстракция с уловител на иглата (NTME), комбинирана с GC и микроекстракция в твърда фаза (SPME).

Диагностика на заболяването с помощта на летливи биомаркери

Учените оцениха технологиите SIFT-MS и PTR-MS, за да определят дали могат да открият чернодробно заболяване и да наблюдават диабета. В допълнение, тези техники бяха оценени и за диагностициране на различни видове рак като белия дроб, колоректален, пикочен мехур и простата.

Може ли обикновен дихателен тест да диагностицира заболяване? | Били Бойл TEDx Cambridge University

В контекста на ранното откриване на рак на белия дроб и гърдата, метилираните въглеводороди бяха предложени като биомаркери. Учените заявиха, че наличието на ацеталдехид в издишания дъх над 22 ppb може да има голямо клинично значение. Въпреки че ацеталдехидът е междинен продукт в метаболизма на етанола в черния дроб, приемът на алкохол значително повишава нивата му в дишането. Учените определиха молекулярната емисия от ракови клетъчни линии CALU-1 и SK-MES и откриха присъствието й по-високо от физиологичните нива.

ЛОС, произведени от чревни бактерии, се транспортират до и се екскретират от белите дробове. Например, ЛОС, освободени от Хеликобактер пилори в човешкия стомах може да се открие в издишания през устата въздух. Хеликобактер пилори инфектират стомаха и червата, увреждат тъканите на стомашната лигавица и причиняват възпаление. Този патоген причинява пептични язви при хората.

Учените са разработили дихателен анализатор за откриване на белодробна туберкулоза. В този случай откритите биомаркерни съединения са метил п-анисат, метил фенилацетат, о-фениланизол и метил никотинат.

Търговско производство на дихателни анализатори за откриване на заболявания

Owlstone е създадена от група учени от университета в Кеймбридж, които произвеждат и продават „Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry (FAIMS)“. Тяхната технология “Breath Biopsy” може точно да профилира ЛОС, присъстващи в пробите от дъха.

Breath Diagnostics, базирана в Кентъки стартираща компания, разработи устройство за диагностика на дишането за рак на белия дроб. В него се посочва, че тяхното устройство може да различи доброкачествените тумори от злокачествените в 77% от случаите.

New England Breath Technologies е базирана в Масачузетс стартираща компания, която е основана през 2015 г. Тази компания разработи дихателен анализатор за откриване на нивата на кръвната захар. Техният продукт се нарича Glucair, който открива концентрацията на ацетон в дъха на индивида

Препратки

.