Analisi dei composti organici volatili nell'aria espirata in volontari sani: confronto di tre tecniche di spettrometria di massa per la caratterizzazione del volatoloma negli studi clinici (VOC-COMPARE)

La medicina di precisione, o medicina personalizzata o medicina individualizzata, rappresenta un’importante fonte di speranza per alleviare il peso sociale ed economico delle patologie gravi. Non esiste una definizione comunemente accettata della nozione di “medicina personalizzata”. Tuttavia, secondo il Consiglio Europeo, la medicina personalizzata è un modello medico che si basa sulla caratterizzazione dei fenotipi e dei genotipi delle persone (ad esempio attraverso la profilazione molecolare, l’imaging medico, le informazioni sullo stile di vita) per offrire la giusta strategia terapeutica alla persona giusta al momento giusto. e/o per accertare l'esistenza di una predisposizione ad una malattia e/o per garantire una prevenzione mirata e tempestiva. La medicina personalizzata è collegata alla nozione più ampia di “assistenza centrata sul paziente”, che tiene conto della necessità generale che i sistemi sanitari soddisfino meglio le esigenze dei pazienti. I progressi nella ricerca hanno reso possibile lo sviluppo di firme “omiche” di risposte terapeutiche a determinati tumori o malattie rare. Tuttavia, anche se sono stati sviluppati alcuni biomarcatori omici o cellulari, essi rimangono oggi insufficienti e troppo complessi per prevederne la generalizzazione per il trattamento individualizzato dei pazienti. Pertanto, oggi esiste un potenziale significativo per lo sviluppo della medicina di precisione per patologie gravi. Uno dei principali ostacoli nella medicina di precisione è l’indisponibilità di biomarcatori di facile accesso, non invasivi, misurabili con tecniche ad alte prestazioni, veloci, facili da usare, riproducibili, poco costosi e facilmente implementabili su larga scala.

L'analisi dell'aria espirata (volatolomica) deriva dalla più recente tecnologia "omica", la metabolomica, dedicata all'analisi di piccole molecole presenti nell'organismo, e consente il rilevamento in tempo reale, al letto del malato, dei composti organici volatili (COV) eliminati attraverso la polmoni. Migliaia di COV sono stati identificati nell'aria espirata a seguito di eventi infettivi, infiammatori o patologici [5, 6] con esempi nel campo delle malattie infettive per la diagnosi di tubercolosi, infezioni fungine invasive, colonizzazione batterica delle vie aeree [7-10] o polmonite associata al ventilatore nei pazienti in terapia intensiva [11-16]. Per le infezioni virali, anche modelli animali di infezioni influenzali e studi clinici su pazienti con malattia polmonare cronica ostruttiva suggeriscono il beneficio dell’analisi dei COV [17, 18]. In questo contesto infettivo, l'"impronta respiratoria" rilevata riflette una miscela di metaboliti di origine microbica, biomarcatori diretti della presenza di agenti patogeni e metaboliti generati dall'ospite in risposta all'infezione. Pertanto, l’analisi dell’aria espirata, i cui principali vantaggi sono il campionamento totalmente non invasivo e l’analisi istantanea consentita da alcune tecnologie (risultato in pochi minuti), potrebbe essere utilizzata per la diagnosi, lo screening su larga scala, la sorveglianza delle infezioni e la previsione di risposta al trattamento. Le sfide tecnologiche per la sua realizzazione sono legate alla grande diversità chimica dei COV da studiare e all’abbondanza particolarmente bassa di molti di essi.

La tecnologia di riferimento per l'analisi dei COV è la spettrometria di massa (MS), che si avvale di strumenti costituiti da (1) una sorgente di ionizzazione la cui funzione è quella di ionizzare i COV contenuti nell'aria espirata, (2) un analizzatore che smista gli ioni formati secondo il loro rapporto massa/carica (m/z) e (3) un rivelatore che consente l'analisi quantitativa dei segnali m/z di un campione. Possono essere utilizzati diversi tipi di spettrometri di massa e, in assenza di un metodo consensuale e standardizzato, dispongono di metodi pratici per effettuare analisi diverse che portano anche alla generazione di segnali specifici per ciascuno di essi, la natura, la complessità e la completezza delle informazioni contenute essendo eterogenee. Ciascuna tipologia di strumento presenta vantaggi e svantaggi in termini di facilità di campionamento, velocità di analisi, completezza delle informazioni e vincoli tecnico-analitici per l'esecuzione delle analisi. Ad esempio, alcuni strumenti come gli spettrometri di massa con reazione di trasferimento di protoni (PTR-MS) [16, 19, 20] o quelli che utilizzano la ionizzazione morbida mediante reazione di trasferimento chimico (SICRIT) [21] sono rilevanti per eseguire misurazioni online e in tempo reale, senza conservare un campione di aria espirata ma variano in base alla modalità di ionizzazione e alla risoluzione dei rilevatori associati. Tuttavia, il livello delle informazioni generate non consente generalmente l'identificazione dei COV (ionizzazione debole, assenza di separazione cromatografica, ecc.). Infatti, una volta scoperta la firma dei COV (caratterizzati dal loro m/z), la loro identificazione chimica formale è quindi il passo critico e obbligato per migliorare la conoscenza sulla fisiologia e sui processi regolatori dei COV nonché per impostare e validare clinicamente specifici metodi di misurazione quantitativa basati su tecnologie portatili (sensori, ecc.). La gascromatografia bidimensionale accoppiata alla spettrometria di massa (GCxGC-MS) è attualmente la tecnologia più avanzata per questo scopo, combinando due colonne cromatografiche con fasi stazionarie complementari e ionizzazione dei COV mediante impatto elettronico prima del rilevamento MS. I composti che coeluiscono nella gascromatografia convenzionale possono essere separati mediante GCxGC e diversi team hanno pubblicato studi di prova utilizzando GCxGC-MS per la scoperta di biomarcatori del respiro per la diagnosi del cancro ai polmoni [ 22], della tubercolosi [23] o della fenotipizzazione dell'asma grave [1] . Una delle sfide principali consiste nello stabilire la concordanza dei segnali generati dai diversi approcci tecnologici, alcuni che utilizzano una separazione cromatografica preliminare, altri no, e alcuni che utilizzano metodi di ionizzazione soft mentre quelli degli altri sono al contrario hard. Pertanto, la disponibilità di set di dati ottenuti sulla stessa popolazione con questi approcci tecnologici complementari consentirà progressi significativi per l’identificazione dei COV di interesse negli studi clinici, al di là del semplice confronto delle prestazioni analitiche dei diversi metodi.