Анализ дыхательного газа - Википедия - Breath gas analysis

Анализ дыхательного газа это метод получения информации о клиническом состоянии человека путем мониторинга летучие органические соединения (ЛОС) присутствуют в выдыхаемом дыхание. Выдыхаемый воздух естественным образом производится человек тело до истечения срока годности и, следовательно, его можно собирать неинвазивным способом и неограниченным образом.^[1] ЛОС в выдыхаемом воздухе могут представлять биомаркеры при определенных патологиях (рак легких, астма, хроническая обструктивная болезнь легких и другие). Затем концентрацию дыхательного газа можно связать с кровь концентрации через математическое моделирование как например в алкоголь в крови тестирование.^[2] Существуют различные методы, которые можно использовать для сбора и анализа выдыхаемого воздуха. Исследования выдыхаемого воздуха начались много лет назад, и в настоящее время его клиническое применение для диагностики заболеваний ограничено.^[3] Однако это может измениться в ближайшем будущем, поскольку в настоящее время в мире начинаются масштабные исследования по внедрению.^[4] с использованием онлайн-решения для электронного носа: BreathBase.^[5]

История

Лавуазер в своей лаборатории изучает дыхание человека.

Известно, что со времен Гиппократ, анализ выдыхаемого воздуха проводился с целью диагностики заболевания. Например, считалось, что выдыхаемый воздух сахарный диабет от человека пахло сладким, а от людей, страдающих почечная недостаточность запах был похож на рыбу.^[6] Только с Лавуазье чистый запах выдыхаемого человеком дыхания был заменен систематическим анализом химического состава. Область современных тестов дыхания началась в 1971 году, когда Нобелевская премия победитель Линус Полинг продемонстрировали, что дыхание человека представляет собой сложный газ, содержащий более 200 различных ЛОС.^[7] Позже Филлипс идентифицировал более 3000 летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе.^[8] В последние годы многие ученые сосредоточились на анализе выдыхаемого воздуха с целью выявления конкретных заболеваний. биомаркеры на ранних стадиях. Рак легких,^[9] ХОБЛ, рак головы и шеи^[10] входят в число заболеваний, которые рассматривались для выявления биомаркеров. Даже если анализ выдыхаемого воздуха начался много лет назад, его до сих пор нет в клинической практике для диагностики заболеваний. В основном это связано с отсутствием стандартизации клинических тестов, как процедур сбора выдыхаемого воздуха, так и их анализа.^[11][12][13]Хотя использование так называемых отпечатков дыхания, определяемых этими электронными носами, является многообещающим и, похоже, позволяет различать рак легких, ХОБЛ и астму,^[14]. Они также, кажется, способны обнаруживать различные фенотипы астмы и ХОБЛ.^[15] и другие болезни^[16]

Обзор

Эндогенный летучие органические соединения (ЛОС) выделяются в человеческом организме в результате нормального метаболический активности или вследствие патологических нарушений. Они попадают в кровоток и в конечном итоге метаболизируются или выводятся через выдох, кожа эмиссия моча, так далее.

Отбор проб дыхания является неинвазивным, и образцы дыхания можно брать сколь угодно часто.^[17]

Выявление и количественная оценка потенциального заболевания биомаркеры можно рассматривать как движущую силу для анализа выдыхаемого воздуха. Более того, в будущем предполагается применение для медицинской диагностики и контроля терапии с динамическими оценками нормальной физиологической функции или фармакодинамики.

Экзогенный ЛОС, проникающие в организм в результате воздействия окружающей среды, можно использовать для количественной оценки нагрузки на организм. Кроме того, дыхательные тесты часто основаны на приеме внутрь меченных изотопами прекурсоров, производящих меченые изотопами углекислый газ и, возможно, многие другие метаболиты.

Однако отбор проб дыхания далеко не стандартизованная процедура из-за множества смешивающих факторов, влияющих на концентрацию летучих веществ в выдыхаемом воздухе. Эти факторы связаны как с протоколами отбора проб дыхания, так и со сложными физиологическими механизмами, лежащими в основе легочный газообмен. Даже в условиях покоя на концентрацию ЛОС в выдыхаемом воздухе могут сильно влиять определенные физиологические параметры, такие как сердечный выброс и характер дыхания, в зависимости от физико-химических свойств исследуемого соединения.

Понимание влияния всех этих факторов и их контроль необходимо для достижения точной стандартизации отбора проб дыхания и правильного определения соответствующих уровней концентрации в крови.

Простейшая модель, связывающая концентрацию дыхательного газа с концентрацией в крови, была разработана Фархи.^[18]

${ displaystyle C_ {A} = { frac {C _ { bar {v}}} { lambda _ { text {b: air}} + { dot {V}} _ {A} / { dot {Q}} _ {c}}},}$

куда ${ displaystyle C_ {A}}$ обозначает альвеолярную концентрацию, которая предполагается равной измеренной концентрации. Он выражает тот факт, что концентрация инертного газа в альвеолярном воздухе зависит от смешанной венозной концентрации ${ displaystyle C _ { bar {v}}}$, специфическое вещество кровь: воздух Коэффициент распределения ${ displaystyle lambda _ { text {b: air}}}$, а соотношение вентиляция-перфузия ${ displaystyle { dot {V}} _ {A} / { dot {Q}} _ {c}}$Но эта модель терпит неудачу, когда два прототипа вещества, такие как ацетон (Коэффициент распределения ${ displaystyle lambda _ { text {b: air}} = 340}$) или же изопрен (Коэффициент распределения ${ displaystyle lambda _ { text {b: air}} = 0,75}$ ) измеряются.^[19]

Например, умножение предлагаемого среднего значения совокупности приблизительно на ${ Displaystyle 1 мкг / л}$ ацетон в конце выдоха по коэффициенту распределения ${ displaystyle lambda _ { text {b: air}} = 340}$ при температуре тела сильно занижает наблюдаемые уровни (артериальной) крови, распространяющиеся вокруг ${ Displaystyle 1 мг / л}$. Кроме того, профили дыхания ацетона (и других легкорастворимых летучих соединений, таких как 2-пентанон или метилацетат), связанные с проблемами эргометра с умеренной нагрузкой у нормальных здоровых добровольцев, резко отклоняются от тенденции, предложенной приведенным выше уравнением.

Следовательно, необходимы более совершенные модели. Такие модели были разработаны недавно.^[20][21]

Приложения

Анализ дыхательного газа используется в ряде дыхательные тесты.

• Астма обнаружение выдыхаемый оксид азота
• Алкоголь в крови тестирование^[22]
• Отравление угарным газом
• Хроническая болезнь почек (ХБП) и Сахарный диабет^[23]
• Сахарный диабет обнаружение
• Диагностика неприятного запаха изо рта
• Мальабсорбция фруктозы с водородный дыхательный тест
• Helicobacter pylori с дыхательный тест на мочевину
• Рак легких обнаружение^[24]
• Измерение эндогенных метаболических процессов^[25]
• Мониторинг поглощения побочных продуктов дезинфекции после купания^[26]
• Отторжение органа
• Отказ от курения

Коллекционеры дыхания

Дыхание можно собрать с помощью множества самодельных и имеющихся в продаже устройств. Вот несколько примеров средств сбора выдыхаемого воздуха, используемых в исследовательской индустрии для анализа ЛОС:

• Канистра из нержавеющей стали с покрытием
• Концевой коллектор приливного воздуха
• Сумка из тедлара
• Пробоотборник дыхания ReCIVA®^[27]

Первые три устройства могут использоваться в качестве средства для прямого ввода пробы газа в соответствующий аналитический прибор или служить резервуаром для выдыхаемого газа, в который помещается абсорбционное устройство, такое как волокно SPME, для сбора определенных соединений. Пробоотборник дыхания ReCIVA - одно из последних достижений в области анализа дыхания. В настоящее время он используется в крупнейшем в мире исследовании рака легких на основе дыхания.^[28][29]

Онлайн-анализ

Дыхание также можно анализировать в интерактивном режиме, что позволяет получить представление о метаболизме человека без необходимости подготовки или сбора образцов.^[30] Технологии, позволяющие анализировать дыхание в реальном времени, включают:

• Масс-спектрометрия реакции переноса протона (ПТР-МС )
• Вторичная ионизация электрораспылением Масс-спектрометрии (SESI-MS )^[31]
• Масс-спектрометрия с выбранной ионной трубкой (SIFT-MS )^[30]

Анализ дыхания очень уязвим для смешивающих факторов. Преимущество анализа дыхания в реальном времени состоит в том, что исключаются потенциальные мешающие факторы, связанные с обработкой проб и манипуляциями с ними. Недавние усилия были сосредоточены на стандартизации процедур анализа дыхания в режиме онлайн на основе SESI -MS, а также для систематического изучения и сокращения других источников изменчивости.^[32]

Современное состояние в области дыхания и анализа дыхания - это универсальное решение BreathBase®. Это позволяет легко классифицировать,^[33] фенотипирование,^[15] прогнозирование терапевтического ответа с высокой точностью.^[34] Вместо количественного определения каждого ЛОС, измерение основано на перекрестно-реактивных неспецифических массивах датчиков, которые намеренно не идентифицируют отдельные ЛОС. ЛОС конкурентно взаимодействуют с датчиками, позволяя нескольким ЛОС связываться с одним и тем же датчиком в зависимости от их сродства как с датчиком, так и с его подложкой. Точно так же несколько датчиков взаимодействуют с одним и тем же летучим веществом. Примечательно, что это сравнимо с мощной обонятельной системой млекопитающих и приводит к образцу срабатывания датчиков, который управляется полной смесью ЛОС.^[35]

Аналитические инструменты

Анализ дыхания может быть выполнен с помощью различных форм масс-спектрометрии, но есть и более простые методы для конкретных целей, такие как Галиметр и алкотестер.

• Газовая хроматография-масс-спектрометрия ГХ-МС
• Газовая хроматография-УФ-спектрометрия GC-UV
• Масс-спектрометрия реакции переноса протона ПТР-МС и PTR-TOF
• Масс-спектрометрия с проточной трубкой для выбранных ионов SIFT-MS
• Спектрометрия ионной подвижности IMS
• Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье FTIR
• Лазерная спектрометрия Спектроскопия
• Химические сенсоры соотв. Электронный нос
• Вторичная ионизация электрораспылением SESI-MS

Рекомендации

внешняя ссылка

• Международная ассоциация исследования дыхания (IABR)
• Журнал исследования дыхания
• Инициатива глубокого дыхания
• Исследование дыхания Sinueslab