Der Beitrag der induzierten Glykolyse zur Signatur der ausgeatmeten flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) bei Lungenkrebs

Der Beitrag der induzierten Glykolyse zur Signatur der ausgeatmeten flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) bei Lungenkrebs

Abstrakt:

Lungenkrebs ist berüchtigt für seine grausamen Sterblichkeitsraten, da er sowohl bei Männern als auch bei Frauen der tödlichste Krebs ist. Leider werden die meisten Lungenkrebserkrankungen in einem sehr fortgeschrittenen Stadium erkannt und diagnostiziert, was die Behandlungsmöglichkeiten erschwert. Daher besteht ein dringender, unerfüllter Bedarf, ein wirksames, hochempfindliches, hochspezifisches und nicht-invasives Screening-Verfahren zu entwickeln. Die Lösung für dieses Problem kann in flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) gefunden werden, bei denen es sich um organische Moleküle handelt, die in der ausgeatmeten Luft identifiziert werden. Diese VOCs unterscheiden sich zwischen Personen, die an Lungenkrebs leiden, und gesunden Personen. Da eine erhöhte Glykolyse eines der charakteristischen Muster von Malignomen ist, ist der Zweck dieser Studie, den Beitrag der induzierten Glykolyse zu diesen ausgeatmeten VOCs zu bestimmen. Daher werden in dieser Studie Atemluftproben von Personen, die an Lungenkrebs leiden, vor und nach einem Glukosebelastungstest verglichen. Diese Studie zielt darauf ab, die beteiligten Mechanismen besser zu verstehen, um die unterscheidenden VOCs zu identifizieren. Dies kann helfen, die so notwendigen diagnostischen Mittel für das Lungenkrebs-Screening zu entwickeln.

1. Einführung:

   Lungenkrebs ist der tödliche Mottenkrebs bei Männern und Frauen. [1] Es gibt zwei Hauptklassen von Lungenkrebs: die erste, der kleinzellige Lungenkrebs (SCLC), der oft als Haferzellkrebs bezeichnet wird, und die zweite, der nicht-kleinzellige Lungenkrebs (NSCLC), der die Mehrheit ausmacht von Fällen von Lungenkrebs. [2] Leider erfolgt die Erkennung und Diagnose von Lungenkrebs meistens, wenn sich der Krebs in einem fortgeschrittenen, metastasierten Stadium befindet, in dem eine Operation keine praktikable Behandlungsoption darstellt. [3] Daher kann die Erkennung und Diagnose ihrer frühen Stadien die Fünf-Jahres-Überlebensrate erheblich verbessern sowie die Möglichkeit einer Heilung bieten.

   Ein effektives, nicht-invasives Lungenkrebs-Screening-Verfahren zur Unterscheidung von biologischen Markern, die in Hochrisikogruppen gefunden werden, muss noch entwickelt werden. In letzter Zeit haben Forscher damit begonnen, Vorlagen für flüchtige organische Verbindungen (VOCs) als mögliches Mittel zur Früherkennung in Betracht zu ziehen. Diese VOCs können aus ausgeatmeten Atemproben gewonnen und isoliert werden. Die VOCs spiegeln die einzigartige metabolische und biochemische Aktivität in malignen Zellen wider. Dieser Zusammenhang wurde von mehreren Forschern sowie in unserer eigenen Gruppe [4] nachgewiesen, die gezeigt hat, dass VOCs nicht nur zwischen gesunden und betroffenen Personen unterscheiden können, sondern sogar zwischen SCLC und NSCLC. [5, 6] Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf den Nachweis, die Identifizierung und die Charakterisierung dieser einzigartigen biologischen Marker, die in der Atemluft von Lungenkrebspatienten zu finden sind. Unter den nachgewiesenen VOCs wird sich diese Forschung speziell auf diejenigen VOCs konzentrieren, die das Potenzial haben, in ein wirksames, nicht-invasives Screening-Verfahren für Lungenkrebs integriert zu werden.

   Die Karzinogenese ist ein Prozess, der an die somatische Evolution gebunden ist. Einer der beliebtesten evolutionären Vorteile bösartiger, metastatischer Zellen ist die erhöhte Aufnahme von Glukose durch den Prozess der Glykolyse. Dieser Glykolyseprozess ist einzigartig für bösartige Zellen, da er unter anaeroben Bedingungen am ausgeprägtesten ist, wohingegen gesunde Zellen die Glykolyse am häufigsten unter aeroben Bedingungen durchführen. Die anaerobe Glykolyse – der Prozess der Umwandlung von Glukose in Milchsäure in Gegenwart von Sauerstoff – ist nach Otto Warburg, der diese Eigenschaft entdeckt hat, auch als „Warburg-Effekt“ bekannt. [7]

   So sind unter anderem eine überhöhte Stoffaustauschrate und ein gesteigerter Glukoseabbau (Warburg-Effekt) charakteristische Prozesse in malignen Zellen. Diese Prozesse setzen organische Verbindungen frei, von denen einige in die ausgeatmete Luft freigesetzt werden. Daher wird diese Forschung die Beziehung zwischen einem Glukose-Challenge-Test und seiner Wirkung auf das Muster von VOCs in der ausgeatmeten Luft untersuchen.

2. Forschungsziele:

   Die Vorlage für organische Partikel in der ausgeatmeten Luft unterscheidet zwischen Personen, die an aktivem Lungenkrebs leiden, und Personen, die als gesund gelten. Der Zweck dieser Studie ist es, den Beitrag des Prozesses der Glykolyse zu dieser einzigartigen Vorlage zu untersuchen. Da der Prozess der Glykolyse in malignen Zellen beschleunigt wird, nehmen wir an, dass der Glukose-Provokationstest VOC bei den Personen exprimiert, die an der Krankheit leiden. Diese Erkenntnisse können zur Entwicklung von Diagnoseinstrumenten für Lungenkrebs beitragen.

3. Hypothese:

   Wir nehmen an, dass der Warburg-Effekt eine wesentliche Komponente bei der Bildung von VOCs ist, die einzigartig für Lungenkrebs sind, und dass der Glukose-Provokationstest daher die Produktion dieser VOCs erhöhen wird. Diese Marker haben das Potenzial, ein effektiveres, nicht-invasives Screening-Verfahren mit verbesserter Sensitivität und Spezifität zu entwickeln.

4. Methoden:

4.1 Forschungsdesign: Bei dieser Studie handelt es sich um eine Beobachtungs-Fall-Kontroll-Studie, die den Vergleich zwischen den VOC-Proben bewertet, die aus ausgeatmeten Atemproben und Bluttests entnommen wurden, die vor und nach einem Glukose-Provokationstest durchgeführt wurden. Beim Glukose-Provokationstest wird eine Lösung getrunken, die 75 Gramm Glukose enthält, und eine Wartezeit von 90 Minuten zwischen der Entnahme der ausgeatmeten Atem- und Blutproben. Vor diesem Test muss sechs Stunden lang gefastet werden. Zusätzlich erfolgt eine klinische Beurteilung auf Basis der ärztlichen Anamnese und vorhandener, aktueller medizinischer Informationen.

4.2 Studienpopulation: Ziel dieser Forschung ist es festzustellen, ob der Prozess der Glykolyse zu dem einzigartigen VOC-Muster in der ausgeatmeten Luft von Lungenkrebspatienten beiträgt. Die Teilnehmer werden aus Personen ausgewählt, die derzeit aus verschiedenen Gründen in pulmologischen Kliniken behandelt werden. Die Kontrollgruppe umfasst Teilnehmer, die als Personen mit hohem Risiko für Lungenkrebs identifiziert wurden, während die Studiengruppe Teilnehmer umfasst, die an aktivem Lungenkrebs leiden, aber noch keine medizinische Behandlung begonnen haben.

Der Rekrutierungsprozess wird in zwei aufeinanderfolgenden Phasen durchgeführt. In der ersten Phase werden zwanzig Patienten aus der Studiengruppe mit den zwanzig Teilnehmern aus der Kontrollgruppe verglichen. An dieser Stelle wird eine vorläufige Bewertung der Daten durchgeführt, um Unterschiede in den VOCs zwischen diesen beiden Gruppen zu finden. Erst wenn diese Unterschiede festgestellt werden, geht die Forschung in die zweite Phase über, in der 30 weitere Teilnehmer für die Studiengruppe rekrutiert und getestet werden.

Die zuvor erwähnte Kontrollgruppe umfasst 20 Teilnehmer, die keinen Lungenkrebs haben, aber der Forschungsgruppe in Bezug auf Alter, Geschlecht, Krankengeschichte und Rauchergeschichte ähnlich sind. Diese Klassifizierung wird auf der Grundlage der von den Teilnehmern ausgefüllten Selbstberichtsumfragen durchgeführt.

Ausschlusskriterien für die Studienpopulation sind wie folgt:

1. Patienten, die kein Interesse an einer Teilnahme haben und/oder keine Einverständniserklärung unterschreiben können
2. Lungenkrebspatienten, die vor dieser Studie mit der Behandlung begonnen haben
3. Patienten, die diese Untersuchung und/oder die Nachsorgeuntersuchungen nicht abschließen können
4. Personen, die an Diabetes leiden

4.3 Forschungsvariablen:

Die Hauptvariablen, die zum Testen unserer Hypothese verwendet werden, sind wie folgt:

• Epidemiologische Variablen der Teilnehmer
• Quantitative Daten zur Bestimmung der malignen Zellen (TMN, Größe des Tumors, Anzahl der Metastasen und deren Lokalisation)
• Die Glukosespiegel (über einen Messstab) vor und nach dem Glukose-Challenge-Test (erfordert eine Fastenzeit von 6 Stunden vor dem Test)
• Das aus den ausgeatmeten Atemproben erhaltene VOC-Muster und die Charakterisierung dieser Moleküle über die GCMS-Methode.

4.4 Forschungsmethoden:

Ärztliche Anamnese:

Eine Sammlung der Details der Krankengeschichte des Patienten wird eingeholt. Informationen wie Geschlecht, Alter, Krankengeschichte, Tabakkonsum und Familienanamnese werden notiert. Darüber hinaus werden Informationen zur Quantifizierung und Qualifizierung der bösartigen Zellen (falls vorhanden) gesammelt und aufgezeichnet. Dazu gehören Details wie die Art des Tumors sowie Ort, Volumen, histologische Merkmale und Bildgebungsergebnisse. Einige der medizinischen Informationen werden aus bereits bestehenden aktualisierten Krankenakten gewonnen.

Ausatemtest:

Jeder Teilnehmer wird vor und nach dem Glukose-Provokationstest mit einer Pause von 90 Minuten zwischen den Tests einem Atemtest unterzogen.

Die detaillierte Erklärung zum Prozess der Sammlung der ausgeatmeten Atemproben:

Der Patient atmet 3 Atemzüge (mit 750 ml pro Atemzug) in geeignete Mylar-Beutel in einem sterilen Bereich mit einer Technologie aus, die sicherstellt, dass der ausgeatmete Atem isoliert und von der äußeren Umgebung unbeeinflusst ist. Der Inhalt der Mylar-Beutel wird in TENAX-Mustern gelagert, wodurch die Muster für einen Zeitraum von sechs Monaten aufbewahrt werden. Die Proben werden am Israel Institute of Technology (Technion) unter der Schirmherrschaft von Professor Haim Hussam einer zusätzlichen Analyse unterzogen. Jede Probe wird zum Zweck der Identifizierung von VOCs mit der GC-MS-Methode analysiert. Die Probe wird einer zusätzlichen Verarbeitung wie SPME (Vorkonzentration in die Festphasen-Mikroextraktion) unterzogen. Die SPME wird an das GC-MS übertragen. Das GC-MS-Verfahren ermöglicht die Identifizierung der Verbindungen in kurzer Zeit durch die Verwendung von chromatographischen und spektroskopischen Instrumenten. Das spektroskopische Instrument wird einer zusätzlichen Analyse durch das AOS-Instrument unterzogen. Das AOS umfasst Detektoren, die mit Gold-Nanopartikeln konjugiert sind. Jeder Detektor identifiziert eine Vielzahl von VOCs entsprechend ihrer Position und Konzentration, die unterschiedliche Widerstandsniveaus verursachen. Diese Reaktion wird aufgezeichnet und einer statistischen Analyse über PCA unterzogen, um sich auf die in der Probe gefundenen spezifischen VOC-Muster zu konzentrieren.

Die detaillierte Erklärung des Ablaufs des Glukose-Challenge-Tests lautet wie folgt:

Der Teilnehmer wird aufgefordert, eine zuckerhaltige Lösung (273 ml) aus 75 Gramm Glukose und Wasser zu trinken. Der Test erfordert, dass der Teilnehmer vor dem Test für einen Zeitraum von 6 Stunden fastet. Nach dem Trinken der Lösung muss der Teilnehmer vor dem erneuten Test seines ausgeatmeten Atems eine Liegezeit von 90 Minuten abwarten. Darüber hinaus wird der Glukosespiegel vor dem Trinken der Lösung und nach der 90-minütigen Liegezeit mit einem Messstab getestet.

4.5 Statistische Analyse: Die Stichprobengröße beträgt 70 Personen (40 Personen in der ersten Stufe und weitere 30 Teilnehmer in der zweiten Stufe wie oben erläutert).

Es wird erwartet, dass es einen signifikanten Unterschied zwischen der VOC-Vorlage vor und nach dem Glukose-Provokationstest geben wird. Die geschätzte Wirkungsdifferenz beträgt etwa 30 %, unter der Annahme, dass der Stichprobenfehler bei etwa 10 % liegt, und mit einem Konfidenzintervall von 95 %. Die Anzahl der notwendigen Teilnehmer, die benötigt werden, um Ergebnisse mit statistischer Signifikanz und Größeneffekt zu erzielen, reicht von etwa 20-25 Personen.

Die Informationen aus dem AOS, das die Widerstandsänderungen aufgezeichnet hat, werden über PCA analysiert, um sich auf die spezifischen VOC-Musteränderungen zu konzentrieren, die in jeder Probe erhalten wurden.

Die restlichen Variablen, die quantitativ gemessen wurden, werden als Durchschnittswerte mit ihren entsprechenden Standardabweichungen dargestellt. Die quantitativ ermittelten Variablen werden in Prozent dargestellt.

Die statistische Signifikanzanalyse wird mit den folgenden statistischen Tests durchgeführt: Student-T-Test, Chi-Quadrat, Varianzanalyse (ANOVA) und Kruskal-Wallis-Test. Alle statistischen Tests werden mit dem SPSS-Computerprogramm durchgeführt.