Analiza lotnych związków organicznych w wydychanym powietrzu u zdrowych ochotników: porównanie trzech technik spektrometrii mas do charakteryzacji wolutomomu w badaniach klinicznych (VOC-COMPARE)

Medycyna precyzyjna, czyli medycyna spersonalizowana lub medycyna zindywidualizowana, stanowi ważne źródło nadziei na złagodzenie społecznego i ekonomicznego ciężaru poważnych patologii. Nie ma powszechnie przyjętej definicji pojęcia „medycyny spersonalizowanej”. Jednakże według Rady Europejskiej medycyna personalizowana to model medyczny, który opiera się na charakterystyce fenotypów i genotypów ludzi (np. poprzez profilowanie molekularne, obrazowanie medyczne, informacje o stylu życia), aby zaoferować właściwą strategię terapeutyczną właściwej osobie we właściwym czasie i/lub w celu ustalenia istnienia predyspozycji do choroby i/lub zapewnienia ukierunkowanej i terminowej profilaktyki. Medycyna spersonalizowana wiąże się z szerszym pojęciem „opieki skoncentrowanej na pacjencie”, która uwzględnia ogólną potrzebę lepszego zaspokajania przez systemy opieki zdrowotnej potrzeb pacjentów. Postępy w badaniach umożliwiły opracowanie „omicznych” sygnatur odpowiedzi terapeutycznych na niektóre nowotwory lub rzadkie choroby. Jeśli jednak opracowano kilka biomarkerów omicznych lub komórkowych, są one obecnie niewystarczające i zbyt złożone, aby można było przewidzieć ich uogólnienie na potrzeby zindywidualizowanego leczenia pacjentów. Zatem dzisiaj istnieje znaczny potencjał rozwoju medycyny precyzyjnej w leczeniu ciężkich patologii. Główną przeszkodą w medycynie precyzyjnej jest niedostępność biomarkerów, które są łatwo dostępne, nieinwazyjne, mierzalne za pomocą wysokowydajnych technik, szybkie, łatwe w użyciu, powtarzalne, niedrogie i łatwe do wdrożenia na dużą skalę.

Analiza wydychanego powietrza (wolatolomika) wywodzi się z najnowszej technologii „omiki”, metabolomiki, poświęconej analizie małych cząsteczek w organizmie i pozwala na wykrywanie w czasie rzeczywistym łóżka chorego, lotnych związków organicznych (LZO) eliminowanych poprzez płuca. Tysiące LZO zidentyfikowano w wydychanym powietrzu w następstwie zdarzeń zakaźnych, zapalnych lub patologicznych [5, 6], a przykłady z zakresu chorób zakaźnych w diagnostyce gruźlicy, inwazyjnych infekcji grzybiczych, kolonizacji bakteryjnej dróg oddechowych [7-10] lub zapalenie płuc związane z respiratorem u pacjentów intensywnej terapii [11-16]. W przypadku infekcji wirusowych zwierzęce modele infekcji grypowych i badania kliniczne u pacjentów z przewlekłą obturacyjną chorobą płuc również sugerują korzyści z analizy LZO [17, 18]. W tym kontekście zakaźnym wykryty „odcisk palca” odzwierciedla mieszaninę metabolitów pochodzenia mikrobiologicznego, bezpośrednich biomarkerów obecności czynników chorobotwórczych i metabolitów wytwarzanych przez żywiciela w odpowiedzi na infekcję. Zatem analiza wydychanego powietrza, której głównymi zaletami są całkowicie nieinwazyjne pobieranie próbek i natychmiastowa analiza, na którą pozwalają niektóre technologie (wynik w ciągu kilku minut), może zostać wykorzystana do diagnostyki, badań przesiewowych na dużą skalę, nadzoru nad infekcjami i przewidywania odpowiedzi na leczenie. Wyzwania technologiczne związane z jego realizacją wiążą się z dużą różnorodnością chemiczną badanych LZO i szczególnie niską liczebnością wielu z nich.

Technologią referencyjną analizy LZO jest spektrometria mas (MS), w której wykorzystuje się przyrządy składające się z (1) źródła jonizacji, którego funkcją jest jonizacja LZO zawartych w wydychanym powietrzu, (2) analizatora sortującego powstałe jony według ich stosunek masy do ładunku (m/z) oraz (3) detektor umożliwiający ilościową analizę sygnałów m/z próbki. Można stosować kilka typów spektrometrów mas, które w przypadku braku uzgodnionej i znormalizowanej metody posiadają praktyczne metody przeprowadzania różnych analiz, które również prowadzą do generowania sygnałów specyficznych dla każdego z nich, charakteru, złożoności i kompletność zawartych informacji jest niejednorodna. Każdy typ instrumentu ma zalety i wady pod względem łatwości pobierania próbek, szybkości analizy, kompletności informacji oraz ograniczeń technicznych i analitycznych związanych z przeprowadzaniem analiz. Na przykład niektóre instrumenty, takie jak spektrometry masowe z reakcją przeniesienia protonu (PTR-MS) [16, 19, 20] lub te wykorzystujące miękką jonizację poprzez reakcję przeniesienia chemicznego (SICRIT) [21] są przydatne do wykonywania pomiarów online i w czasie rzeczywistym, bez przechowywania próbki wydychanego powietrza, ale różnią się sposobem jonizacji i rozdzielczością powiązanych detektorów. Jednakże poziom generowanych przez nie informacji zasadniczo nie pozwala na identyfikację LZO (miękka jonizacja, brak rozdziału chromatograficznego itp.). Rzeczywiście, po odkryciu sygnatury LZO (charakteryzującej się ich m/z), ich formalna identyfikacja chemiczna jest wówczas krytycznym i obowiązkowym krokiem w celu poszerzenia wiedzy na temat fizjologii i procesów regulacyjnych LZO, a także ustalenia i klinicznej walidacji konkretnych ilościowe metody pomiarowe oparte na technologiach przenośnych (czujniki itp.). Najbardziej zaawansowaną technologią w tym celu jest obecnie dwuwymiarowa chromatografia gazowa sprzężona ze spektrometrią mas (GCxGC-MS), łącząca dwie kolumny chromatograficzne z komplementarnymi fazami stacjonarnymi i jonizacją LZO poprzez uderzenie elektronów przed detekcją MS. Związki współeluowane w konwencjonalnej chromatografii gazowej można rozdzielić za pomocą GCxGC, a kilka zespołów opublikowało badania potwierdzające koncepcję wykorzystujące GCxGC-MS do wykrywania biomarkerów oddechu w diagnostyce raka płuc [22], gruźlicy [23] lub fenotypowania ciężkiej astmy [1] . Jedno z głównych wyzwań polega na ustaleniu zgodności sygnałów generowanych przez różne podejścia technologiczne, niektóre wykorzystują wstępną separację chromatograficzną, inne nie, a niektóre wykorzystują metody miękkiej jonizacji, podczas gdy inne są wręcz przeciwnie. Zatem dostępność zbiorów danych uzyskanych na tej samej populacji za pomocą tych uzupełniających podejść technologicznych umożliwi znaczny postęp w identyfikacji COV będących przedmiotem zainteresowania w badaniach klinicznych, wykraczający poza proste porównanie wydajności analitycznej różnych metod.