Análise de compostos orgânicos voláteis no ar expirado em voluntários saudáveis: comparação de três técnicas de espectrometria de massa para caracterização de volatolome em estudos clínicos (VOC-COMPARE)

A medicina de precisão, ou medicina personalizada ou medicina individualizada, representa uma importante fonte de esperança para aliviar a carga social e econômica de patologias graves. Não existe uma definição comummente aceite para a noção de “medicina personalizada”. No entanto, de acordo com o Conselho Europeu, a Medicina Personalizada é um modelo médico que se baseia na caracterização dos fenótipos e genotipos das pessoas (por exemplo, por meio de perfil molecular, imagem médica, informações sobre o estilo de vida) para oferecer a estratégia terapêutica correta para a pessoa certa no momento certo e/ou para estabelecer a existência de uma predisposição para uma doença e/ou para garantir uma prevenção direcionada e oportuna. A medicina personalizada está ligada à noção mais ampla de "atendimento centrado no paciente", que leva em consideração a necessidade geral de sistemas de saúde para melhor atender às necessidades dos pacientes. Os avanços na investigação tornaram possível desenvolver assinaturas “ómicas” de respostas terapêuticas a certos cancros ou doenças raras. No entanto, se alguns biomarcadores ômicos ou celulares foram desenvolvidos, eles permanecem hoje insuficientes e complexos demais para prever sua generalização para o tratamento individualizado dos pacientes. Assim, hoje existe um potencial significativo para o desenvolvimento de medicina de precisão para patologias graves. Um grande obstáculo na medicina de precisão é a indisponibilidade de biomarcadores de fácil acesso, não invasivos, mensuráveis ​​com técnicas de alto desempenho, rápidos, fáceis de usar, reprodutíveis, baratos e facilmente implantáveis ​​em larga escala.

A análise do ar expirado (volatolômica) é derivado da mais recente tecnologia "omics", metabolômica, dedicada à análise de pequenas moléculas no corpo e permite detecção em tempo real, cama doente, compostos orgânicos voláteis (COV) eliminados através do pulmões. Milhares de COV foram identificados no ar exalado após eventos infecciosos, inflamatórios ou patológicos [5, 6] com exemplos no campo de doenças infecciosas para o diagnóstico de tuberculose, infecções fúngicas invasivas, colonização bacteriana das vias aéreas [7-10] ou Pneumonia associada ao ventilador em pacientes com terapia intensiva [11-16]. Para infecções virais, modelos animais de infecções por influenza e estudos clínicos em pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica também sugerem o benefício da análise de COV [17, 18]. Nesse contexto infeccioso, a "impressão digital respiratória" detectada reflete uma mistura de metabólitos de origem microbiana, biomarcadores diretos da presença de agentes patogênicos e metabólitos gerados pelo hospedeiro em resposta à infecção. Assim, a análise do ar exalado, cujas principais vantagens são amostragem totalmente não invasiva e a análise instantânea permitida por certas tecnologias (resulta em alguns minutos) pode ser usada para diagnóstico, triagem em larga escala, vigilância de infecções e previsão de resposta ao tratamento. Os desafios tecnológicos para sua realização estão ligados à grande diversidade química dos COVs a serem estudados e à abundância particularmente baixa de muitos deles.

A tecnologia de referência para a análise de COVs é a espectrometria de massa (EM), que utiliza instrumentos constituídos por (1) uma fonte de ionização cuja função é ionizar os COVs contidos no ar exalado, (2) um analisador que classifica os íons formados de acordo com sua relação massa/carga (m/z) e (3) um detector que permite a análise quantitativa dos sinais m/z de uma amostra. Vários tipos de espectrômetros de massa podem ser utilizados e, na ausência de um método consensual e padronizado, possuem métodos práticos para a realização de diferentes análises que também levam à geração de sinais específicos para cada um deles, a natureza, a complexidade e o a completude das informações contidas é heterogênea. Cada tipo de instrumento apresenta vantagens e desvantagens em termos de facilidade de amostragem, rapidez de análise, completude de informações e restrições técnicas e analíticas para a realização das análises. Por exemplo, alguns instrumentos como espectrômetros de massa de reação de transferência de prótons (PTR-MS) [16, 19, 20] ou aqueles que utilizam ionização suave por reação de transferência química (SICRIT) [21] são relevantes para realizar medições online e em tempo real, sem armazenar uma amostra de ar exalado, mas variam de acordo com seu modo de ionização e a resolução dos detectores associados. No entanto, o nível de informação gerado geralmente não permite a identificação de COVs (ionização suave, ausência de separação cromatográfica, etc.). Na verdade, uma vez descoberta uma assinatura de COV (caracterizada pela sua m/z), a sua identificação química formal é então o passo crítico e obrigatório para melhorar o conhecimento sobre a fisiologia e os processos reguladores dos COV, bem como para estabelecer e validar clinicamente processos específicos. métodos de medição quantitativa baseados em tecnologias portáteis (sensores, etc.). A cromatografia gasosa bidimensional acoplada à espectrometria de massa (GCxGC-MS) é a tecnologia mais avançada atualmente para esse fim, combinando duas colunas cromatográficas com fases estacionárias complementares e ionização de VOCs por impacto de elétrons antes da detecção por MS. Os compostos que coeluem na cromatografia gasosa convencional podem ser separados por GCxGC, e várias equipes publicaram estudos de prova de conceito usando GCxGC-MS para descoberta de biomarcadores respiratórios para diagnóstico de câncer de pulmão [22], tuberculose [23] ou fenotipagem de asma grave [1] . Um dos principais desafios consiste em estabelecer a concordância dos sinais gerados pelas diferentes abordagens tecnológicas, algumas empregando uma separação cromatográfica preliminar, outras não, e algumas empregando métodos de ionização suave enquanto as outras são, pelo contrário, difíceis. Assim, a disponibilização de conjuntos de dados obtidos sobre uma mesma população com estas abordagens tecnológicas complementares permitirá avanços significativos para a identificação dos COVs de interesse em estudos clínicos, além da simples comparação dos desempenhos analíticos dos diferentes métodos.