Analyse af flygtige organiske forbindelser i udåndet luft hos raske frivillige: Sammenligning af tre massespektrometriteknikker til karakterisering af volatolome i kliniske undersøgelser (VOC-COMPARE)

Præcisionsmedicin, eller personlig medicin eller individualiseret medicin, repræsenterer en vigtig kilde til håb for at lindre den sociale og økonomiske byrde ved alvorlige patologier. Der er ingen almindeligt accepteret definition af begrebet "personlig medicin". Men ifølge Det Europæiske Råd er personlig medicin en medicinsk model, der er afhængig af karakteriseringen af ​​menneskers fænotyper og genotyper (f.eks. gennem molekylær profilering, medicinsk billeddannelse, livsstilsinformation) for at tilbyde den rigtige terapeutiske strategi til den rigtige person på det rigtige tidspunkt og/eller at fastslå eksistensen af ​​en disposition for en sygdom og/eller at sikre målrettet og rettidig forebyggelse. Personlig medicin er knyttet til det bredere begreb "patientcentreret pleje", som tager højde for det generelle behov for, at sundhedssystemerne bedre imødekommer patienternes behov. Fremskridt inden for forskning har gjort det muligt at udvikle "omiske" signaturer af terapeutiske reaktioner på visse kræftformer eller sjældne sygdomme. Men hvis nogle få omic eller cellulære biomarkører er blevet udviklet, forbliver de i dag utilstrækkelige og for komplekse til at forudse deres generalisering til individualiseret behandling af patienter. Der er således i dag et betydeligt potentiale for udvikling af præcisionsmedicin til svære patologier. En stor hindring inden for præcisionsmedicin er utilgængeligheden af ​​biomarkører, der er nemme at få adgang til, ikke-invasive, målbare med højtydende teknikker, hurtige, nemme at bruge, reproducerbare, billige og let at implementere i stor skala.

Analysen af ​​udåndet luft (volatolomics) er afledt af den nyeste "omics"-teknologi, metabolomics, viet til analyse af små molekyler i kroppen, og tillader realtidsdetektion, sygeseng, flygtige organiske forbindelser (VOC'er) elimineret gennem lunger. Tusindvis af VOC'er er blevet identificeret i udåndingsluften efter infektiøse, inflammatoriske eller patologiske hændelser [5, 6] med eksempler inden for infektionssygdomme til diagnosticering af tuberkulose, invasive svampeinfektioner, bakteriel kolonisering af luftvejene [7-10] eller ventilator-associeret pneumoni hos intensivpatienter [11-16]. For virusinfektioner tyder dyremodeller af influenzainfektioner og kliniske undersøgelser hos patienter med kronisk obstruktiv lungesygdom også på fordelene ved VOC-analyse [17, 18]. I denne infektiøse sammenhæng afspejler det påviste "respiratoriske fingeraftryk" en blanding af metabolitter af mikrobiel oprindelse, direkte biomarkører for tilstedeværelsen af ​​patogene stoffer og metabolitter genereret af værten som reaktion på infektionen. Analysen af ​​udåndingsluften, hvis største fordele er fuldstændig ikke-invasiv prøveudtagning og den øjeblikkelige analyse, der tillades af visse teknologier (resultat på få minutter), kunne således bruges til diagnose, screening i stor skala, overvågning af infektioner og forudsigelse. respons på behandlingen. De teknologiske udfordringer for realiseringen er knyttet til den store kemiske mangfoldighed af de VOC'er, der skal undersøges, og den særligt lave forekomst af mange af dem.

Referenceteknologien til analyse af VOC er massespektrometri (MS), som anvender instrumenter bestående af (1) en ioniseringskilde, hvis funktion er at ionisere de VOC, der er indeholdt i udåndingsluften, (2) en analysator, som sorterer de dannede ioner iflg. deres masse til ladningsforhold (m/z) og (3) en detektor, som muliggør kvantitativ analyse af m/z-signalerne fra en prøve. Flere typer massespektrometre kan anvendes, og i mangel af en konsensuel og standardiseret metode har de praktiske metoder til at udføre forskellige analyser, som også fører til generering af signaler, der er specifikke for hver af dem, arten, kompleksiteten og fuldstændigheden af ​​de indeholdte oplysninger er heterogene. Hver type instrument har fordele og ulemper med hensyn til nem prøveudtagning, analysehastighed, fuldstændighed af information og tekniske og analytiske begrænsninger for at udføre analyserne. For eksempel er nogle instrumenter såsom protonoverførselsreaktionsmassespektrometre (PTR-MS) [16, 19, 20] eller dem, der bruger blød ionisering ved kemisk overførselsreaktion (SICRIT) [21] relevante til at udføre målinger online og i realtid, uden at opbevare en prøve af udåndet luft, men varierer efter deres ioniseringsmåde og opløsningen af ​​de tilknyttede detektorer. Deres informationsniveau tillader generelt ikke at identificere VOC'er (blød ionisering, fravær af kromatografisk adskillelse osv.). Når først en signatur af VOC'er (kendetegnet ved deres m/z) er opdaget, er deres formelle kemiske identifikation det kritiske og obligatoriske skridt til at forbedre viden om fysiologi og reguleringsprocesser for VOC'er samt at opsætte og klinisk validere specifikke kvantitative målemetoder baseret på bærbare teknologier (sensorer osv.). Todimensionel gaskromatografi kombineret med massespektrometri (GCxGC-MS) er den mest avancerede teknologi på nuværende tidspunkt til dette formål, der kombinerer to kromatografiske søjler med komplementære stationære faser og ionisering af VOC'er ved elektronpåvirkning før MS-detektion. Forbindelser, der coelueres i konventionel gaskromatografi, kan adskilles af GCxGC, og adskillige hold har publiceret proof-of-concept-undersøgelser ved hjælp af GCxGC-MS til opdagelse af ånde-biomarkører til lungekræftdiagnose [22], tuberkulose [23] eller svær astma-fænotyping [1] . En af hovedudfordringerne består i at etablere overensstemmelsen mellem de signaler, der genereres af de forskellige teknologiske tilgange, hvor nogle anvender en foreløbig kromatografisk adskillelse, andre ikke, og nogle anvender bløde ioniseringsmetoder, hvorimod de andres tværtimod er hårde. Tilgængeligheden af ​​datasæt opnået på den samme population med disse komplementære teknologiske tilgange vil således tillade betydelige fremskridt for identifikation af de COV'er, der er af interesse i kliniske undersøgelser, ud over den simple sammenligning af de forskellige metoders analytiske ydeevne.