Ei-invasiivinen keuhkokuumeen havaitseminen Covid-19:n yhteydessä kaasukromatografian avulla – ioniliikkuvuusspektrometria (GC-IMS)

Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) analyysi uloshengitetyssä hengityksessä on yhä kiinnostavampi keuhkoinfektion diagnosoinnissa. Yli 2 000 VOC:ta voidaan havaita kaasukromatografian ja massaspektrometrian (GC-MS) avulla; havaitut VOC-mallit voivat tarjota tietoa kroonisesta obstruktiivisesta keuhkosairaudesta, astmasta, keuhkosyövästä ja interstitiaalisesta keuhkosairaudesta. Valitettavasti GC-MS:ää, vaikka se on erittäin herkkä, ei voida tehdä sängyn vieressä, ja parhaimmillaan näytteiden valmistelu, analyysin suorittaminen ja tulosten tulkitseminen vie tunteja.

Verrattuna muihin hengitysanalyysimenetelmiin ioniliikkuvuusspektrometria (IMS) tarjoaa kymmenen kertaa suuremman haihtuvien orgaanisten yhdisteiden havaitsemisnopeuden. Yhdistämällä ioniliikkuvuusspektrometrin GC-kolonniin GC-IMS tarjoaa VOC-yhdisteiden välittömän kaksinkertaisen erottelun ja visualisoinnin kolmiulotteisessa kromatogrammissa. Kokonaisanalyysiaika on noin 300 sekuntia ja laitteet on pienennetty vuodeanalyysin mahdollistamiseksi.

BreathSpec-laitetta on aiemmin käytetty tutkimaan molempia säteilyvaurioita potilailla, jotka saavat sädehoitoa Edinburghin syöpäkeskuksessa (REC viite 16-SS-0059, osana H2020 TOXI-triage -projektia, http://www.toxi-triage). eu/) ja keuhkokuume potilailla, jotka hakeutuvat Edinburghin kuninkaallisen sairaalan päivystykseen (REC viite 18-LO-1029). Tässä työssä on kehitetty tekoälyn metodologia, joka mahdollistaa näistä hengitysnäytteistä kerätyn valtavan datamäärän nopean analyysin sellaisten allekirjoitusten tunnistamiseksi, jotka voivat viitata tiettyyn patologiseen prosessiin, kuten keuhkokuumeeseen tai säteilyvaurioon.

TOXI-triage-projekti osoitti, että BreathSpec GC-IMS pystyi nopeasti tutkimaan yksilöitä tunnistaakseen henkilöt, jotka olivat altistuneet tietyille haihtuville nesteille massaonnettomuustilanteessa (http://www.toxi-triage.eu/).

Pilottitutkimuksessa arvioitiin rintainfektioita Royal Liverpool University Hospitalin akuutissa lääketieteellisessä osastossa. Lopullinen diagnostinen malli mahdollisti oikeudenmukaisen eron bakteeriperäisten rintainfektioiden ja muista tekijöistä johtuvien rintainfektioiden välillä, jolloin vastaanottimen operaattorin ominaiskäyrän alapuolella oleva pinta-ala (AUC-ROC) oli 0,73 (95 % CI 0,61-0,86). Yhteenvetotestin ominaisuudet olivat herkkyys 62 % (95 % CI 41-80 %) ja spesifisyys 80 % (95 % CI 64 - 91 %) [8].

Tätä laajennettiin EU H2020 -rahoitteisessa "Breathspec-tutkimuksessa", jonka tavoitteena oli erottaa hengitysnäytteet potilaista, joilla on bakteeri- tai virusperäinen ylä- tai alahengitystieinfektio. Yli 1220 potilasta rekrytoitiin, joista 191 potilasta todettiin ehdottomasti bakteeri-infektioksi ja 671 potilasta ei ehdottomasti bakteeriperäiseksi. Kaikille potilaille suoritettiin virologia, ja 259 potilaalla vahvistettiin virusinfektio. Päivämäärän käsittely on vielä kesken sen määrittämiseksi, kuinka hyvin ne voidaan erottaa tällä menetelmällä. Edinburghissa tähän tutkimukseen rekrytoitiin yli 100 potilasta. Siitä lähtien tekoäly on sisällytetty analyyttisiin prosesseihimme, mikä mahdollistaa nopeamman ja tarkemman analyysin.

Tavoitteemme on, että tämä tekniikka tunnistaa Covid-19-keuhkokuumeen tunnusmerkit tai 10 minuutin sisällä ei-invasiivisesti kerätyistä hengitysnäytteistä, jotta potilaat voidaan luokitella korkean ja alhaisen Covid-19-riskin luokkiin. Tämä mahdollistaa niukkojen resurssien ja monimutkaisten protokollien kohdistamisen suuren riskin potilaisiin, mukaan lukien henkilökohtaiset suojavarusteet (PPE), kohortointi ja omistautunut lääkintä- ja hoitohenkilöstö.

Heinäkuussa 2020 lisättiin terve vapaaehtoinen käsi - 40 osallistujaa