Analyse flüchtiger organischer Verbindungen in der ausgeatmeten Luft bei gesunden Freiwilligen: Vergleich von drei Massenspektrometrietechniken zur Charakterisierung von Volatolomen in klinischen Studien (VOC-COMPARE)

Präzisionsmedizin oder personalisierte Medizin oder individualisierte Medizin stellt eine wichtige Hoffnungsquelle dar, um die sozialen und wirtschaftlichen Belastungen schwerer Erkrankungen zu lindern. Es gibt keine allgemein akzeptierte Definition des Begriffs „personalisierte Medizin“. Laut Europäischem Rat handelt es sich bei der personalisierten Medizin jedoch um ein medizinisches Modell, das auf der Charakterisierung der Phänotypen und Genotypen von Menschen beruht (z. B. durch molekulare Profilierung, medizinische Bildgebung, Informationen zum Lebensstil), um der richtigen Person zur richtigen Zeit die richtige Therapiestrategie anzubieten und/oder um das Vorliegen einer Veranlagung für eine Krankheit festzustellen und/oder um eine gezielte und rechtzeitige Prävention sicherzustellen. Personalisierte Medizin ist mit dem umfassenderen Konzept der „patientenzentrierten Versorgung“ verbunden, das die allgemeine Notwendigkeit berücksichtigt, dass Gesundheitssysteme den Bedürfnissen der Patienten besser gerecht werden. Fortschritte in der Forschung haben es möglich gemacht, „omische“ Signaturen therapeutischer Reaktionen auf bestimmte Krebsarten oder seltene Krankheiten zu entwickeln. Obwohl einige omische oder zelluläre Biomarker entwickelt wurden, sind diese heute noch unzureichend und zu komplex, als dass ihre Verallgemeinerung für die individuelle Behandlung von Patienten vorhersehbar wäre. Somit besteht heute ein erhebliches Potenzial für die Entwicklung der Präzisionsmedizin für schwere Pathologien. Ein großes Hindernis in der Präzisionsmedizin ist die Nichtverfügbarkeit von Biomarkern, die leicht zugänglich, nicht-invasiv, mit Hochleistungstechniken messbar, schnell, einfach zu verwenden, reproduzierbar, kostengünstig und leicht in großem Maßstab einsetzbar sind.

Die Analyse der ausgeatmeten Luft (Volatolomics) basiert auf der neuesten „Omics“-Technologie, der Metabolomik, die sich der Analyse kleiner Moleküle im Körper widmet und die Echtzeiterkennung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) ermöglicht, die durch das Gerät ausgeschieden werden Lunge. Tausende VOCs wurden in der Ausatemluft nach infektiösen, entzündlichen oder pathologischen Ereignissen identifiziert [5, 6] mit Beispielen im Bereich Infektionskrankheiten zur Diagnose von Tuberkulose, invasiven Pilzinfektionen, bakterieller Besiedlung der Atemwege [7-10] oder beatmungsassoziierte Pneumonie bei Intensivpatienten [11-16]. Bei Virusinfektionen deuten auch Tiermodelle von Influenza-Infektionen und klinische Studien an Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung auf den Nutzen der VOC-Analyse hin [17, 18]. In diesem infektiösen Kontext spiegelt der erkannte „respiratorische Fingerabdruck“ eine Mischung aus Metaboliten mikrobiellen Ursprungs, direkten Biomarkern für das Vorhandensein von Krankheitserregern und Metaboliten wider, die vom Wirt als Reaktion auf die Infektion erzeugt werden. Daher könnte die Analyse der ausgeatmeten Luft, deren Hauptvorteile in der völlig nicht-invasiven Probenahme und der durch bestimmte Technologien ermöglichten sofortigen Analyse (Ergebnis in wenigen Minuten) liegen, für Diagnose, groß angelegte Screenings, Überwachung von Infektionen und Vorhersagen genutzt werden des Ansprechens auf die Behandlung. Die technologischen Herausforderungen für die Umsetzung hängen mit der großen chemischen Vielfalt der zu untersuchenden VOCs und der besonders geringen Häufigkeit vieler von ihnen zusammen.

Die Referenztechnologie für die Analyse von VOCs ist die Massenspektrometrie (MS), bei der Instrumente verwendet werden, die aus (1) einer Ionisationsquelle, deren Funktion darin besteht, die in der Ausatemluft enthaltenen VOCs zu ionisieren, (2) einem Analysator, der die gebildeten Ionen nach sortiert, bestehen ihr Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) und (3) ein Detektor, der die quantitative Analyse der m/z-Signale einer Probe ermöglicht. Es können mehrere Arten von Massenspektrometern verwendet werden, und in Ermangelung einer einheitlichen und standardisierten Methode verfügen sie über praktische Methoden zur Durchführung unterschiedlicher Analysen, die auch zur Erzeugung von Signalen führen, die für jeden von ihnen spezifisch sind, die Art, die Komplexität und die Die Vollständigkeit der enthaltenen Informationen ist heterogen. Jeder Instrumententyp hat Vor- und Nachteile hinsichtlich der einfachen Probenahme, der Analysegeschwindigkeit, der Vollständigkeit der Informationen sowie der technischen und analytischen Einschränkungen bei der Durchführung der Analysen. Beispielsweise sind einige Instrumente wie Protonentransferreaktions-Massenspektrometer (PTR-MS) [16, 19, 20] oder solche, die weiche Ionisierung durch chemische Transferreaktion (SICRIT) verwenden [21], für die Durchführung von Messungen online und in Echtzeit relevant. ohne Speicherung einer Probe ausgeatmeter Luft, unterscheiden sich jedoch durch ihren Ionisationsmodus und die Auflösung der zugehörigen Detektoren. Ihr Informationsgehalt erlaubt jedoch im Allgemeinen keine Identifizierung von VOCs (weiche Ionisierung, fehlende chromatographische Trennung usw.). Sobald eine Signatur von VOCs (charakterisiert durch ihr m/z) entdeckt ist, ist ihre formale chemische Identifizierung der entscheidende und obligatorische Schritt, um das Wissen über die Physiologie und regulatorischen Prozesse von VOCs zu verbessern sowie spezifische Ergebnisse zu ermitteln und klinisch zu validieren quantitative Messmethoden auf Basis tragbarer Technologien (Sensoren etc.). Die zweidimensionale Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (GCxGC-MS) ist derzeit die fortschrittlichste Technologie für diesen Zweck. Sie kombiniert zwei Chromatographiesäulen mit komplementären stationären Phasen und die Ionisierung von VOCs durch Elektronenstoß vor der MS-Detektion. In der herkömmlichen Gaschromatographie gemeinsam eluierende Verbindungen können durch GCxGC getrennt werden, und mehrere Teams haben Proof-of-Concept-Studien mit GCxGC-MS zur Entdeckung von Atembiomarkern für die Lungenkrebsdiagnose [22], Tuberkulose [23] oder die Phänotypisierung von schwerem Asthma [1] veröffentlicht. . Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die Übereinstimmung der von den verschiedenen technologischen Ansätzen erzeugten Signale herzustellen, wobei einige eine vorläufige chromatographische Trennung verwenden, andere nicht, und einige weiche Ionisierungsmethoden verwenden, während die anderen im Gegenteil hart sind. Somit wird die Verfügbarkeit von Datensätzen, die mit diesen komplementären technologischen Ansätzen aus derselben Population gewonnen wurden, erhebliche Fortschritte bei der Identifizierung der COVs von Interesse in klinischen Studien ermöglichen, die über den einfachen Vergleich der analytischen Leistungen der verschiedenen Methoden hinausgehen.