Biomarker in ausgeatmeten Atemkondensaten bei akuten Lungenverletzungen: Früherkennung und Ergebnisprädiktoren

Akute Lungenschädigung (ALI) und akutes Atemnotsyndrom (ARDS) sind die Hauptursachen für Mortalität und Morbidität auf der Intensivstation (ICU). Die Ursachen von ALI/ARDS sind von Patient zu Patient unterschiedlich und umfassen Sepsis, Aspiration, systemische Entzündung, Trauma, Bluttransfusion usw. Durch frühzeitige Erkennung und Behandlung kann die Überlebensrate deutlich verbessert werden. Allerdings ist es oft schwierig, ALI/ARDS von kardiogenen Lungenödemen oder anderen Ursachen zu unterscheiden, selbst mit fortschrittlicher Technologie und invasiven Instrumenten. Ein potenzielles Hilfsmittel ist der chemische Atemtest, der von der Messung ausgeatmeter Gase wie ausgeatmetem Stickoxid oder Kohlenmonoxid bis hin zur Bestimmung flüchtiger organischer Verbindungen und der Profilierung nichtflüchtiger Biomarker reicht. Da die Probenahme der ausgeatmeten Atemkondensate (EBC) völlig nicht-invasiv ist, können Ärzte und Forscher Körperfunktionen einfacher und flexibler beurteilen. Die ausgeatmete Luft enthält Tausende flüchtiger und nichtflüchtiger Verbindungen in Spuren. Daher ist die Auswertung dieser Art menschlicher Proben erst seit kurzem möglich, nachdem hochempfindliche Spitzentechnologien in der Probenanalyse entwickelt wurden. Fortschrittliche Technologien in den Bereichen Proteomik, Metabolomik, GC/LC-Massenspektrometrie und Mustererkennungsberechnungen erzeugen ein Feld der Profilierung ausgeatmeter Biomarker, das als „Breathomics“ bezeichnet wird. Nach der Etablierung des metabolomischen Profils von EBC bei Patienten mit ALI, ARDS oder kardiogenem Lungenödem konnte ein nützliches und leistungsstarkes nichtinvasives Instrument für die ALI/ARDS-Diagnose und Ergebnisvorhersage entwickelt werden.

Metabolomics oder Metabonomics ist ein groß angelegter Ansatz zur Überwachung möglichst vieler an zellulären Prozessen beteiligter Verbindungen in einem einzigen Test, um Stoffwechselprofile abzuleiten. Obwohl sich Metabolomik zunächst auf die Überwachung einzelner Zellen und Metabonomik auf mehrzellige Organismen bezog, werden diese Begriffe heute häufig synonym verwendet. Stoffwechselveränderungen erfolgen über eine Reihe von Mechanismen, darunter direkte genetische Regulation und Veränderungen enzymatischer und metabolischer Reaktionen. Metabolomics ermöglicht eine globale Beurteilung eines zellulären Zustands im Kontext der unmittelbaren Umgebung unter Berücksichtigung genetischer Regulation, veränderter kinetischer Aktivität von Enzymen und Veränderungen in Stoffwechselreaktionen. Im Vergleich zur Genomik oder Proteomik spiegelt die Metabolomik daher Veränderungen im Phänotyp und damit in der Funktion wider. Zu den für die Stoffwechselprofilierung verwendeten Techniken gehören Kernspinresonanz (NMR) und Massenspektrometrie (MS). Die Metabolomik hat den Vorteil, dass sie im Blut oder Urin nach Proteinen oder Metaboliten suchen kann. Metabolomik kann zum Verständnis von Stoffwechselstörungen und zur Diagnose menschlicher Krankheiten nützlich sein. Über 30 endogene Metaboliten wurden im Brustgewebe untersucht, und Brustkrebs weist im Vergleich zu gutartigen Tumoren oder gesundem Gewebe erhöhte Gesamtcholin-haltige Verbindungen (tCho), niedrige Glycerophosphocholinwerte und niedrige Glukosewerte auf. Ähnlich wie Brustkrebs weist Prostatakrebs ein ausgeprägtes Stoffwechselprofil auf, das durch hohe tCho- und Phosphocholinspiegel sowie einen Anstieg der glykolytischen Produkte Laktat und Alanin gekennzeichnet ist. Bei Prostatakrebs kann Citrat auch ein Marker für das Ansprechen auf die Behandlung sein. Diese Ergebnisse zeigen den potenziellen Nutzen der Metabolomik bei der Krebsdiagnose und klinischen Bewertung.

Atemchemische Tests haben ein breites Anwendungsspektrum, das von der Messung der ausgeatmeten Stickoxidfraktion (FeNO) zur Überwachung der Wirkung einer entzündungshemmenden Behandlung bei Asthma bis hin zur Bestimmung flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) und der Profilierung nichtflüchtiger Biomarker in der gekühlten Atemprobe, der sogenannten ausgeatmeten Probe, reicht Atemkondensat (EBC). Da die Probenahme des Atems völlig nicht-invasiv ist, können Ärzte und Forscher verschiedene Körperfunktionen auf flexible Weise beurteilen. Daher wird der Atemtest als potenziell idealer Kandidat für Screening-Zwecke angesehen. Neben weithin bekannten Bestandteilen wie Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Inertgasen und Wasserdampf besteht die ausgeatmete Atemluft auch aus Tausenden flüchtigen und nichtflüchtigen Komponenten, hauptsächlich in Spurenmengen, was den Nachweis zu einer anspruchsvollen Aufgabe macht. Der Einsatz innovativer „-omics“-Technologien, darunter Proteomik, Metabolomik, Massenspektrometrie, Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC-MS) und Ionenmobilitätsspektrometrie, bietet großes Potenzial für den Bereich der Profilierung ausgeatmeter Biomarker. Im Gegensatz zur bronchoalveolären Lavage (BAL) und der Sputuminduktion, bei der hypertonische Kochsalzlösung inhaliert wird, um Husten und möglicherweise eine Bronchokonstriktion auszulösen, beeinflusst EBC die Atemwegsfunktion nicht und verursacht keine Entzündung. Es kann einfach und sicher bei schwer erkrankten Patienten durchgeführt werden und ermöglicht sogar die Durchführung wiederholter Messungen. Daher handelt es sich um ein relativ neues Feld mit Potenzial für die Durchführung weiterer Studien zur Untersuchung akuter Lungenschäden durch Metabolomik.