Flüchtige Stoffe in der Atem- und Headspace-Analyse – Diagnostische Marker (Volatolome)

Studie schlägt vor, einen neuartigen Ansatz für die Diagnose und Überwachung von Krankheiten zu erforschen. Der Ansatz basiert auf dem Nachweis flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs), die aus den Zellen emittiert und direkt aus Gewebe wie Haut, OP-Material, Blut sowie aus der Atemluft nachgewiesen werden.

In der Literatur gibt es mehrere Berichte über VOCs, die mittels Gaschromatographie – Massenspektrometrie (GC-MS) direkt nachgewiesen werden können aus: (i) dem Headspace von TB-Zellen (d. h. der Mischung aus flüchtigen Biomarkern, die über den TB-Zellen eingeschlossen sind). ein versiegeltes Gefäß); (ii) der ausgeatmeten Luft oder (iii) aus dem Urin. Hervorragende Ergebnisse bei der Erkennung der Tuberkulose-Erkrankung durch die Verwendung von Nanosensor-Arrays wurden von Nakhleh et al. gezeigt, die eine Sensitivität von 90 %, eine Spezifität von 93 % und eine Genauigkeit von 92 % bei der Unterscheidung zwischen gesunden und kranken Patienten unter Verwendung elektronischer Nasengeräte mit einem einzigen Sensor erreichten. Keine der berichteten Studien identifizierte die vorläufige Erkennung der mit Tuberkulose in Zusammenhang stehenden VOCs und quantifizierte die Konzentrationsunterschiede zwischen Proben von kranken und gesunden Kontrollen. Eine weitere Untersuchung der durch Atemtuberkulose verursachten VOC durch GC-MS-Mittel wird das Wissen erweitern und gleichzeitig dazu beitragen, das Nanosensor-Array-Design zu verbessern.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass als Krankheit eingestufte VOC-Muster durch die Haut übertragen werden können und die Haut daher als Quelle für die Erkennung und Identifizierung von Krankheiten verwendet werden kann. Das Prinzip dieses Nachweisverfahrens besteht darin, dass sich krankheitsbedingte Veränderungen durch Austausch über das Blut in messbaren Veränderungen der Haut widerspiegeln. Darüber hinaus deuten mehrere Studien darauf hin, dass die VOC-Werte bereits in frühen Stadien der Krankheit erhöht sind, da sie eher eine Veränderung in der menschlichen Körperchemie (als Folge der Entwicklung eines Krankheitszustands) als die Menge infizierter Zellen widerspiegeln . Ergänzende Studien haben gezeigt, dass VOCs innerhalb von Minuten, nachdem sie im infizierten Teil des menschlichen Körpers entstanden sind, an die Haut abgegeben werden können. Was bei diesem Ansatz besonders wichtig ist, ist, dass jede Art von (Infektions-)Krankheit ihr eigenes einzigartiges Muster von VOCs hat und daher das Vorhandensein einer (Infektions-)Krankheit andere Krankheitstypen nicht ausfindig machen würde. Dennoch wurde nach unserem besten Wissen der Nachweis von Tuberkulose-VOCs durch die Haut noch nicht untersucht. Darüber hinaus wurden alle Studien, die auf Haut-VOCs abzielen, mittels Spektrometrie- und Spektroskopietechniken durchgeführt. In wenigen Fällen wurden elektronische Nasengeräte verwendet. Diese Techniken sind leistungsstarke Werkzeuge zum Nachweis von VOCs. Bis heute wurde die Verwendung dieser Techniken jedoch durch den Bedarf an mäßig bis sehr teuren Geräten, das zum Betrieb solcher Instrumente erforderliche hohe Maß an Fachwissen, die für die Probenahme und Analyse erforderliche Geschwindigkeit und den Bedarf an Vorkonzentrationstechniken behindert. Damit VOC-Hauttests und Atemtests bei Tuberkulose in der klinischen Praxis weit verbreitet werden, müssen einige Fortschritte im Wissen über tuberkulosespezifische VOC und in der Sensorentwicklung erzielt werden. Nanopartikel, die flexible Sensoren enthalten, die auf organischen Filmen basieren, werden eher zu einem klinischen Diagnosewerkzeug, da sie wesentlich kleiner, einfacher zu handhaben und wesentlich kostengünstiger sind.

In den letzten Jahren haben umfassende Studien hervorragende Daten für die Verwendung von VOCs aus der Atemluft als Instrument zur Diagnose von Magenkrebs gezeigt. In einer der größten Studien chinesischer und lettischer Zentren konnte Malignität mit 89 % Sensitivität und 90 % Spezifität nach Kreuzvalidierung identifiziert werden, unabhängig von wichtigen Störfaktoren bei Magenpatienten wie Tabak- oder Alkoholkonsum und H. pylori-Infektion . Ein Atemtest für das GC-Staging konnte auch demonstriert werden, indem Krebs im Stadium I&II von Krebs im Stadium III&IV mit 89 % Sensitivität und 94 % Spezifität unterschieden wurde. Diese Studien verwendeten sowohl Massenspektrometrie als auch Nanosensortechnologien. Die jüngste Studie, die im Januar 2017 im ASC Nano Journal veröffentlicht wurde, berichtete über eine erweiterte Verwendung von Nanoarray-Sensoren in der Atemanalyse. Blindexperimente zeigten, dass mit dem künstlich intelligenten Nanoarray eine Genauigkeit von 86 % erreicht werden konnte, was sowohl die Erkennung als auch die Unterscheidung zwischen den verschiedenen untersuchten Krankheitszuständen ermöglichte (chronisches Nierenversagen, idiopathischer Morbus Parkinson, atypischer Parkinsonismus, Multiple Sklerose, Morbus Crohn, Colitis ulcerosa, Reizdarmsyndrom, pulmonale arterielle Hypertonie, Präeklampsie bei Schwangeren, Kopf- und Halskrebs, Lungenkrebs, Dickdarmkrebs, Blasenkrebs, Nierenkrebs, Prostatakrebs, Magenkrebs und Eierstockkrebs. Die Analyse des künstlich intelligenten Nanoarrays zeigte auch, dass jede Krankheit ihren eigenen einzigartigen Atemabdruck hat und dass das Vorhandensein einer Krankheit andere nicht ausblenden würde.

Daher zielt diese Studie darauf ab, Technologien zum Nachweis von VOCs als Diagnose- und Überwachungsinstrumente für Verdauungstrakt- und Infektionskrankheiten zu testen.