Andningsgasanalys

Andningsgasanalys
Andningsgasanalys
Syfte	få information om en individs kliniska tillstånd genom att övervaka flyktiga organiska föreningar som finns i utandningsandningen

Andningsgasanalys är en metod för att få information om en individs kliniska tillstånd genom att övervaka flyktiga organiska föreningar (VOC) som finns i utandningsluften . Utandad andedräkt produceras naturligt av människokroppen genom utandning och kan därför samlas in på ett icke-invasivt sätt och på ett obegränsat sätt. VOC i utandningsluft kan representera biomarkörer för vissa patologier ( lungcancer , astma , kronisk obstruktiv lungsjukdom och andra). Andningsgaskoncentration kan sedan relateras till blodkoncentrationer via matematisk modellering som till exempel vid alkoholtest i blodet . Det finns olika tekniker som kan användas för att samla in och analysera utandningsandning. Forskning om utandningsandning startade för många år sedan, det finns för närvarande begränsad klinisk tillämpning av det för sjukdomsdiagnostik. Detta kan dock förändras inom en snar framtid eftersom stora implementeringsstudier för närvarande startar globalt.

Historia

Lavoiser i sitt laboratorium som studerar mänsklig andning.

Hippokrates tid utfördes utandningsanalys i syfte att diagnostisera sjukdomen. Till exempel trodde man att utandningen från en med diabetes uppvisade en söt lukt, medan den för personer som drabbats av njursvikt visade en fiskliknande lukt. Endast med Antonie Lavoisier ersattes den rena doften av mänsklig utandning med en systematisk analys av det kemiska innehållet. Området för modern utandningstest startade 1971, när Nobelpristagaren Linus Pauling visade att mänsklig andedräkt är en komplex gas som innehåller mer än 200 olika flyktiga organiska föreningar . Senare har mer än 3000 VOC identifierats i utandningsandning. Under de senaste åren har många forskare fokuserat på analys av utandningsandning i syfte att identifiera sjukdomsspecifika biomarkörer i tidiga skeden. Lungcancer , KOL och huvud- och halscancer är bland de sjukdomar som har övervägts för upptäckt av biomarkörer. Även om utandningsanalys startade för många år sedan, finns det fortfarande ingen klinisk tillämpning av den för sjukdomsdiagnostik. Detta beror främst på bristande standardisering av de kliniska testerna, både för andningsinsamlingsprocedurer och deras analys. Även om användningen av så kallade andningsavtryck, bestämt av elektroniska näsor , är lovande och verkar kunna skilja mellan lungcancer, KOL och astma. De verkar också kunna upptäcka de olika fenotyperna av astma och KOL och andra sjukdomar

Översikt

Endogena flyktiga organiska föreningar (VOC) frigörs i den mänskliga organismen som ett resultat av normal metabolisk aktivitet eller på grund av patologiska störningar. De kommer in i blodomloppet och metaboliseras eller utsöndras så småningom via utandning , hudutsläpp , urin , etc.

Identifiering och kvantifiering av potentiella sjukdomsbiomarkörer kan ses som drivkraften för analys av utandningsandning. Dessutom avses framtida tillämpningar för medicinsk diagnos och terapikontroll med dynamiska bedömningar av normal fysiologisk funktion eller farmakodynamik.

Exogena flyktiga organiska föreningar som penetrerar kroppen till följd av miljöexponering kan användas för att kvantifiera kroppsbelastningen. Också utandningstester är ofta baserade på intag av isotopiskt märkta prekursorer, vilket producerar isotopiskt märkt koldioxid och potentiellt många andra metaboliter.

Men utandningsprovtagning är långt ifrån en standardiserad procedur på grund av de många förvirrande faktorerna som påverkar koncentrationerna av flyktiga ämnen i andetag. Dessa faktorer är relaterade till både provtagningsprotokollen för utandning och de komplexa fysiologiska mekanismerna bakom lunggasutbytet . Även under vilande förhållanden kan koncentrationer av flyktiga organiska föreningar i utandningsluften starkt påverkas av specifika fysiologiska parametrar såsom hjärtminutvolym och andningsmönster, beroende på de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos föreningen som studeras.

Att förstå inverkan av alla faktorer och deras kontroll är nödvändigt för att uppnå en korrekt standardisering av insamling av utandningsprov och för korrekt avdrag av motsvarande blodkoncentrationsnivåer.

Den enklaste modellen som relaterar andningsgaskoncentration till blodkoncentrationer utvecklades av Farhi

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

där $C_{A}$ anger den alveolära koncentrationen som antas vara lika med den uppmätta koncentrationen. Det uttrycker det faktum att koncentrationen av en inert gas i alveolarluften beror på den blandade venkoncentrationen $C_{\bar {v}}$ , den ämnesspecifika blod:luft- fördelningskoefficienten $\lambda _{\text{b:air}}$ och ventilations-perfusionsförhållandet ${\dot {V}}_{A}/{\dot {Q }}_{c}$ . Men denna modell misslyckas när två prototypiska ämnen som aceton (fördelningskoefficient $\lambda _{\text{b:air}}=340$ ) eller isopren (fördelningskoefficient $\lambda _{\text{b:air}}=0,75$ ) mäts.

T.ex. multiplicera det föreslagna populationsmedelvärdet på ungefär $1\mu g/L$ aceton i andning vid sluttidal andning med partitionskoefficienten $\lambda _{\text{ b:air}}=340$ $1mg/L$ kroppstemperatur underskattar kraftigt observerade (arteriella) blodnivåer som sprider sig runt . Dessutom avviker andningsprofiler av aceton (och andra mycket lösliga flyktiga föreningar såsom 2-pentanon eller metylacetat) förknippade med måttliga arbetsbelastningsergometerutmaningar hos normala friska frivilliga drastiskt från trenden som föreslås av ekvationen ovan; därför behövs några mer raffinerade modeller. Sådana modeller har utvecklats.

Ansökningar

Andningsgasanalys används i ett antal utandningstester .

Astma detektering av utandad kväveoxid
Alkoholtest i blodet
Kolmonoxid-förgiftning
Kronisk njursjukdom (CKD) & Diabetes mellitus
Diabetes upptäckt
Diagnos av dålig andedräkt
Fruktosmalabsorption med väte utandningstest
Helicobacter pylori med urea utandningstest
Lungcancer upptäckt
Mätning av endogena metaboliska processer
Övervakning av upptag av desinfektionsbiprodukter efter simning
Organavstötning
Rökavvänjning

Andningssamlare

Andningen kan samlas in med en mängd olika hemgjorda och kommersiellt tillgängliga enheter. Några exempel på verktyg för andningsinsamling som används inom forskningsindustrin för VOC-analys är:

Belagd kapsel i rostfritt stål
Avsluta tidvattensluftkollektor
Tedlar väska

Dessa anordningar kan användas som en vehikel för direkt införande av ett gasprov i ett lämpligt analysinstrument, eller fungera som en reservoar av andningsgas i vilken en absorptionsanordning såsom en SPME-fiber placeras för att samla upp specifika föreningar.

Online analys

Andetaget kan också analyseras online, vilket ger insikt i en persons ämnesomsättning utan behov av provberedning eller provtagning. Teknik som möjliggör realtidsanalys av andetag inkluderar:

Protonöverföringsreaktions-masspektromerty ( PTR-MS )
Sekundär elektrosprayjoniseringsmasspektrometri ( SESI-MS )
Vald jonflödesrörmasspektrometri ( SIFT-MS )

Andningsanalys är mycket känslig för störande faktorer. Att analysera andetag i realtid har fördelen att potentiella störande faktorer associerade med provhantering och manipulation elimineras. De senaste ansträngningarna har fokuserat på att standardisera online-andningsanalysprocedurer baserade på SESI -MS, och att systematiskt studera och minska andra förvirrande källor till variabilitet.

Analytiska instrument

Andningsanalys kan göras med olika former av masspektrometri, men det finns också enklare metoder för specifika ändamål, som Halimeter och alkomätare .

Gaskromatografi-masspektrometri GC-MS
Gaskromatografi-UV-spektrometri GC-UV
Protonöverföringsreaktionsmasspektrometri PTR-MS och PTR-TOF
Utvald jonflödesrörmasspektrometri SIFT-MS
Jonmobilitetsspektrometri IMS
Fourier transform infraröd spektroskopi FTIR
Laserspektrometri spektroskopi
Individuella kemiska sensorer eller kemiska sensorer fungerar som elektroniska näsor
Sekundär elektrosprayjonisering SESI-MS

externa länkar