Analýza těkavých organických sloučenin ve vydechovaném vzduchu u zdravých dobrovolníků: Porovnání tří technik hmotnostní spektrometrie pro charakterizaci Volatolomu v klinických studiích (VOC-COMPARE)

Precizní medicína neboli personalizovaná medicína nebo individualizovaná medicína představuje důležitý zdroj naděje na zmírnění sociální a ekonomické zátěže závažných patologií. Neexistuje žádná běžně přijímaná definice pojmu „personalizovaná medicína“. Podle Evropské rady je však personalizovaná medicína lékařským modelem, který se opírá o charakterizaci fenotypů a genotypů lidí (např. prostřednictvím molekulárního profilování, lékařského zobrazování, informací o životním stylu), aby nabídl správnou terapeutickou strategii správné osobě ve správný čas. a/nebo prokázat existenci predispozice k onemocnění a/nebo zajistit cílenou a včasnou prevenci. Personalizovaná medicína je spojena s širším pojmem „péče zaměřená na pacienta“, která zohledňuje obecnou potřebu zdravotnických systémů lépe uspokojovat potřeby pacientů. Pokroky ve výzkumu umožnily vyvinout „omické“ podpisy terapeutických reakcí na některé druhy rakoviny nebo vzácná onemocnění. Pokud však bylo vyvinuto několik omických nebo buněčných biomarkerů, zůstávají dnes nedostatečné a příliš složité na to, aby bylo možné předvídat jejich zobecnění pro individualizovanou léčbu pacientů. Dnes tedy existuje významný potenciál pro rozvoj přesné medicíny pro těžké patologické stavy. Hlavní překážkou v přesné medicíně je nedostupnost biomarkerů, které jsou snadno dostupné, neinvazivní, měřitelné vysoce výkonnými technikami, rychlé, snadno použitelné, reprodukovatelné, levné a snadno použitelné ve velkém měřítku.

Analýza vydechovaného vzduchu (volatolomika) je odvozena od nejnovější „omické“ technologie, metabolomiky, věnovaná analýze malých molekul v těle a umožňuje v reálném čase detekci těkavých organických sloučenin (VOC) eliminovaných v reálném čase. plíce. Tisíce VOC byly identifikovány ve vydechovaném vzduchu po infekčních, zánětlivých nebo patologických příhodách [5, 6] s příklady z oblasti infekčních onemocnění pro diagnostiku tuberkulózy, invazivních mykotických infekcí, bakteriální kolonizace dýchacích cest [7-10] popř. ventilátorová pneumonie u pacientů na jednotce intenzivní péče [11–16]. U virových infekcí zvířecí modely chřipkových infekcí a klinické studie u pacientů s chronickou obstrukční plicní nemocí také naznačují přínos analýzy VOC [17, 18]. V tomto infekčním kontextu detekovaný „respirační otisk“ odráží směs metabolitů mikrobiálního původu, přímých biomarkerů přítomnosti patogenních agens a metabolitů generovaných hostitelem v reakci na infekci. Analýzu vydechovaného vzduchu, jejíž hlavní výhodou je zcela neinvazivní odběr vzorků a okamžitou analýzu, kterou umožňují určité technologie (výsledek během několika minut), lze tedy použít pro diagnostiku, plošný screening, sledování infekcí a predikci. reakce na léčbu. Technologické výzvy pro jeho realizaci jsou spojeny s velkou chemickou rozmanitostí VOC, které mají být studovány, a zvláště nízkým výskytem mnoha z nich.

Referenční technologií pro analýzu VOC je hmotnostní spektrometrie (MS), která využívá přístroje sestávající z (1) ionizačního zdroje, jehož funkcí je ionizovat VOC obsažené ve vydechovaném vzduchu, (2) analyzátoru, který třídí vzniklé ionty podle jejich poměr hmotnosti k náboji (m/z) a (3) detektor, který umožňuje kvantitativní analýzu signálů m/z vzorku. Lze použít několik typů hmotnostních spektrometrů, a pokud neexistuje konsensuální a standardizovaná metoda, mají praktické metody pro provádění různých analýz, které také vedou ke generování signálů specifických pro každý z nich, povahu, složitost a úplnost obsažených informací je heterogenní. Každý typ přístroje má výhody a nevýhody, pokud jde o snadnost odběru vzorků, rychlost analýzy, úplnost informací a technická a analytická omezení pro provádění analýz. Například některé přístroje, jako jsou hmotnostní spektrometry pro přenos protonů (PTR-MS) [16, 19, 20] nebo ty, které používají měkkou ionizaci chemickou přenosovou reakcí (SICRIT) [21], jsou relevantní pro provádění měření online a v reálném čase, bez uložení vzorku vydechovaného vzduchu, ale liší se svým způsobem ionizace a rozlišením přidružených detektorů. Úroveň jejich generovaných informací však obecně neumožňuje identifikovat VOC (měkká ionizace, absence chromatografické separace atd.). Jakmile je objevena signatura VOC (charakterizovaná jejich m/z), jejich formální chemická identifikace je pak kritickým a povinným krokem ke zlepšení znalostí o fyziologii a regulačních procesech VOC, jakož i ke stanovení a klinickému ověření specifických kvantitativní metody měření založené na přenosných technologiích (senzory atd.). Dvourozměrná plynová chromatografie spojená s hmotnostní spektrometrií (GCxGC-MS) je v současnosti pro tento účel nejpokročilejší technologií, která kombinuje dvě chromatografické kolony s komplementárními stacionárními fázemi a ionizaci VOC dopadem elektronů před MS detekcí. Sloučeniny společně eluující v konvenční plynové chromatografii lze oddělit pomocí GCxGC a několik týmů publikovalo studie proof-of-concept využívající GCxGC-MS pro objev biomarkerů dechu pro diagnostiku rakoviny plic [22], tuberkulózy [23] nebo fenotypování těžkého astmatu [1]. . Jedna z hlavních výzev spočívá ve stanovení shody signálů generovaných různými technologickými přístupy, z nichž některé využívají předběžnou chromatografickou separaci, jiné nikoli a některé využívají metody měkké ionizace, zatímco jiné jsou naopak tvrdé. Dostupnost datových souborů získaných na stejné populaci s těmito komplementárními technologickými přístupy tedy umožní významný pokrok v identifikaci COV zájmu v klinických studiích, nad rámec prostého srovnání analytických výkonů různých metod.