Darstellung von zwei Messaufbauten zur Optimierung des endogenen volatilen organischen Komponenten-Nachweises in der Exspirationsluft mit Hilfe der Ionenmobilitätsspektrometrie

Abstract

Die Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) in Verbindung mit einer Multikapillarsäule (MCC) stellt eine hochsensitive Technologie für den Nachweis von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) dar. Für die Medizin eröffnet sich mit ihr die Perspektive, VOCs zu identifizieren, die als Biomarker für Krankheitsentitäten stehen. Als ein leicht zugängliches Explorationsmedium steht die Ausatemluft mit den darin enthaltenen VOCs (Exhalom) im Fokus. Das Exhalom setzt sich aus einer Vielzahl von VOCs zusammen. Ein Teil entstammt körpereigenen Prozessen, ein anderer Teil wird von außen als körperfremde Substanzen über Lunge, Haut und Magen-Darm-Trakt in den Organismus aufgenommen. Für den größten Teil des Exhaloms ist die Frage, welche VOCs körpereigenen Ursprungs sind und damit endogene Prozesse des Organismus widerspiegeln, noch unbeantwortet. Die vorliegende Studie macht den Versuch, Modalitäten zu finden, die eine Differenzierung zwischen VOCs endogenen und VOCs exogenen Ursprungs erlauben. Hierzu erfolgten zwei Versuchsaufbauten: 1.Versuchsaufbau: Bei 20 gesunden Probanden wurde das Ausatmungsvolumen getrennt in einen tidalen und einen endtidalen Anteil jeweils einem eigenen MCC/IMS- Gerät zur Messung der VOC-Intensitäten zugeführt. Die Arbeitshypothese für dieses Vorgehen lautete, dass in der endtidalen Phase höher gemessene VOC-Intensitäten dafür stehen, dass diese VOCs einen endogenen Ursprung haben. Als Annahme sollte gelten, dass endogene VOCs im Blut, an der Blut-Alveolarschranke und in der Alveole in höherer Konzentration vorliegen als dies für exogene VOCs anzunehmen ist. Die dort vorliegende VOC-Konzentration kann man mit einer nicht invasiven Messung am ehesten im endtidalen Volumen bestimmen. Die gemessenen Intensitäten für jeden einzelnen detektierten VOC in der tidalen und endtidalen Phase wurden in ihren Mittelwerten miteinander verglichen und auf eine signifikante Gesetzmäßigkeit hin überprüft. Für keinen der detektierten VOCs ließ sich hierbei eine statistische Signifikanz hinsichtlich der Intensitätsunterschiede zwischen den beiden Phasen der Exspiration nachweisen. Eine Zuordnung der VOCs auf der Basis dieses Versuchsaufbaus ist damit nicht möglich. Informativere Ergebnisse liefert die Quotientenbildung aus endtidalen zu tidalen Intensitäten der einzelnen VOCs. Mit der Größe dieses Quotienten ist tendenziell, aber nicht valide eine Aussage zum Ursprung eines detektierten VOC möglich. Ein Quotient größer 1,5 spricht für einen endogenen VOC und umgekehrt der Quotient kleiner 1,5 für einen VOC exogenen Ursprungs. Weitgehend bestätigt wird diese Aussage bei Betrachtung der VOCs, deren Ursprung als bekannt gilt. 2.Versuchsaufbau: Da sich mit dem ersten Versuchsaufbau keine validen Aussagen zum Ursprung detektierter VOCs im Exhalom treffen lassen, wurden in einem zweiten Versuchsaufbau bei 20 gesunden Probanden die VOC-Intensitäten im Exspirationsvolumen unter Atmung von synthetischer Luft (Air Liquide, Synthetische Luft SCIENTIFIC) verglichen mit den Intensitäten bei Atmung von Raumluft. Die Atmung erfolgte jeweils über Maske und Nichtrückatemventil mit Intensitätsmessungen in 5-minütigen Abständen über eine Dauer von 30 Minuten. Als Arbeitshypothese wurde formuliert, dass exogene VOCs sich unter Atmung von synthetischer Luft in ihren Intensitäten über die Dauer der Messung reduzieren lassen und somit ein anderes Verhalten aufweisen als unter Raumluftatmung bei ansonsten gleichen Bedingungen. Von 68 detektierten VOCs wurden 39 VOCs reduziert, während 29 VOCs angereichert wurden. Für 7 VOCs konnte statistisch signifikant eine Reduzierung ermittelt werden, während für die angereicherten VOCs keine Signifikanzen festgestellt wurden. VOCs mit ähnlichem Verhalten über die Messdauer wurden zu einer Gruppe zusammengefasst. 5 VOC-Gruppen mit einem jeweils eigenen charakteristischen Profil konnten unterschieden werden. Eine Gruppe war gekennzeichnet durch kontinuierliche VOC-Reduzierung unter Raumluftatmung wie unter Atmung von synthetischer Luft über den gesamten Messzeitraum. Die Intensitätsunterschiede zwischen beiden Messphasen erwiesen sich als statistisch signifikant (Gruppe 1). Eine weitere Gruppe bewahrte - nach einer anfänglich deutlichen Reduzierung- ein auf niedrigerem Level kontinuierlich stabiles Intensitätsniveau (Gruppe 5). Keine Veränderungen zeigte eine dritte Gruppe (Gruppe 3). Ebenfalls kontinuierlich stabile Intensitäten zeigten zwei Gruppen, die sich in den als Referenzwerten gemessenen Intensitäten der VOCs des Untersuchungsraumes unterschieden (Gruppen 2 und 4). Die Recherche der von den VOCs repräsentierten chemischen Substanzen weist einen Großteil als körperfremde exogene Produkte der chemischen Industrie und der Umwelt aus. Die Zuteilung dieser exogenen VOCs zu Gruppen mit differenten Auswaschprofilen zeigt die Komplexität des Exhaloms. Im Hinblick auf die endogenen körpereigenen Substanzen stellt sich daraus die Forderung, umfangreichere Kenntnisse über VOCs im Rahmen der Metabolomforschung zu gewinnen.

Ion-Mobility-Spectrometry in combination with a multi-capillary column is a highly sensitive technology for the identification of volatile organic compounds (VOCS). Especially for the sector of medicine it opens a new perspective within the context of diagnostics and assessment of the course of disease. The exhalation air including its VOCs (exhalome) offers easy access for explorational purposes. The exhalome is made up of a large variety of different VOCs. One part of the exhalome derives from endogenous VOCs, another part comes from exogenous substances which are absorbed by the lung, the skin or the digestive system. However, the question remains: which of the VOCs are endogenous and thereby reflect the metabolic process. The present study is an attempt to find modalities which allow a distinction between endogenous and exogenous VOCs. For this purpose, two investigations were evaluated regarding the best strategy of how to detect endogenous VOCs. 1. Experimental setup: a breath-sample was conducted by 20 healthy subjects. In order to gain the endtidal and tidal part of the exhalome the breath sample was measured separately with an MCC/IMS, respectively. A high intensity in the endtidal phase of the breath sample stands for an endogenous VOC. Assuming that endogenous VOCs are more likely to have a high intensity near the alveoli, the blood and the blood alveolar barrier, the easiest way to approximate the endogenous VOCs’ concentration in a non-invasive way is determining the endtidal volume. Each measured VOC intensity was compared to its average value in the endtidal and tidal phase- and significance tests were undertaken to assess the statistical significance. The detected VOCs did not reach statistical significance. According to the first experimental setup a VOCs’ classification to an endogenous or exogenous origin is not possible. A quotient of the VOCs’ endtidal and tidal intensities delivers more informative results. A quotient higher than 1,5 indicates an endogenous VOC, in reverse a quotient smaller than 1,5 is more likely to be an exogenous VOC. However, creating these quotients pose a tendency but cannot be considered valid. This assertion is confirmed regarding the VOCs whose origins are already known. 2 .Experimental setup: since the first setup could not give a sufficiently valid statement of the origin of the detected VOCs, a second setup was carried out. The reduction of the initial ambient air VOC intensity was investigated in the breath of 20 volunteers inhaling synthetic air in comparison to inhaling ambient air. 4 The measurements were executed with a volunteer wearing a continuous positive airway pressure mask with a self-designed non-return valve. The volunteer breathed spontaneously under the mask for 30 minutes. Every 5 minutes a breath sampling was performed. It was assumed that exogenous VOCs are reduced by breathing synthetical air over the course of the measurement and therefore under the same conditions behave differently while breathing ambient air. Out of 68 detected VOCs 39 were reduced, whereas 29 VOCs increased their intensity in comparison to inhaling ambient air. In total, 7 VOCs were reduced to a statistically significant extent. VOCs with a similar time course pattern over the duration of the measurements were summarized. Five different types, with similar characteristics were distinguished. Type 1 is characterized by the measurement period showing a decrease while breathing ambient air or breathing synthetic air, whereas the synthetic air curve generally shows statistically significant lower values. Type 2 shows resemblances in both curves and continuous stable intensities.Type 3 is present in both measurement periods on a similar level. Type 4 shows the same characteristics as type 2. The intensity during the measurement of type 5 decreases immediately after breathing synthetic air and remains at a similarly low level during that time period. Regarding the chemical agents represented by the VOCs, it can be said that the biggest part is claimed to be an exogenous product of the chemical industry or the environment. The classification of these exogenous VOCs to different types of elution shows the exhalom's complexity. Due to this a more extensive knowledge in the context of the research of the endogenous VOCs has to be acquired