Untersuchung des Einflusses einer systemischen Inflammation auf flüchtige organische Verbindungen in der Ausatemluft der Ratte

Abstract

Die systemische Entzündungsreaktion, oder auch Inflammation, ist nach wie vor ein Prozess der die Medizin vor mannigfaltige Herausforderungen stellt. Seien es die Diagnosestellung, Therapie oder auch die noch nicht vollständig verstandene Pathophysiologie. Auch ist die Abgrenzung zum Krankheitsbild der Sepsis, auf dem Boden einer Infektion, weiter schwierig. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es daher, die Diagnostik der Inflammation weiter zu verbessern. Mit der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) steht hierzu ein vielversprechendes Verfahren zur Verfügung, mit dem folgende Fragestellung beantwortet werden soll: Lässt sich mittels IMS-Analyse der Exspirationsluft eine bestehende systemische inflammatorische Reaktion bei der Ratte nachweisen? Und kann mittels IMS-Analyse eine Differenzierung zwischen unterschiedlichen Auslösern der Inflammation erfolgen?

Um diese Fragen zu beantworten wurden männliche Sprague-Dawley Ratten, nach vorheriger Erlaubnis der zuständigen Tierschutzbehörde, anästhesiert und über 24 Stunden beatmet. Die Vitalparameter wurden kontinuierlich aufgezeichnet und Interleukin-6 im Blut bestimmt. Um eine sterile Inflammation auszulösen, erfolgte die Gabe von Alpha-Toxin sowie Lipopolysaccharid in je zwei unterschiedlichen Dosierungen („Low Dose“ und „High Dose“). Alle zwanzig Minuten wurden Proben der Exspirationsluft entnommen und mittels IMS analysiert.

Die Auswertung der Letalität als auch der Serumkonzentrationen von Interleukin-6 zeigte, dass eine systemische Inflammationsreaktion im Tiermodell ausgelöst wurde. Es gelang mehrere Volatile Organische Komponenten (VOCs) zu ermitteln, anhand derer sich die Inflammationsgruppen von der Kontrollgruppe, als auch voneinander differenzieren ließen. Im Einzelnen ermöglichen die VOCs 1-Butanol, 1-Pentanol, Butanal und Isopropylamin eine Differenzierung der Alpha-Toxin-Gruppe von der Kontrollgruppe. 1-Butanol und 1-Pentanol zeigten einen Anstieg der Signalintensität, wohingegen für Butanal und Isopropylamin ein Abfall detektiert wurde. Für die LPS-Gruppen stellten sich signifikante Unterschiede für die VOCs 1- Pentanol, 2-Propanol und Butanon dar. Hier zeigte 1-Pentanol ebenfalls einen Signalanstieg, ein gegensätzlicher Verlauf stellte sich für 2-Propanol dar. Interessanterweise zeigte der VOC Butanon einen Anstieg in der Low Dose-Gruppe und einen Abfall in der High Dose-Gruppe.

Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass sich eine Inflammation bei der Ratte anhand charakteristischer Veränderungen von VOCs detektieren lässt. Zudem war anhand unterschiedlicher VOCs eine Differenzierung des auslösenden Toxins möglich. Daher scheint die Atemgasanalyse mittels IMS eine potentielle Diagnosemöglichkeit für den Nachweis und die Differenzierung eines systemischen inflammatorischen Geschehens.

Inflammation still remains a severe condition and poses particular challenges for modern medicine. This includes diagnosis, treatment, specific pathophysiology and the differentiation from infection-based sepsis. The aim of this study was to seek further development in the diagnosis of inflammation, exploring the usability of Ion Mobility Spectrometry (IMS) as a suitable diagnostic tool for inflammation. IMS, a well-known analytical technique, allows real-time detection of molecules down to trace elements. This study investigates the potential presence of inflammatory markers in exhaled breath of rats, and secondly, whether IMS allows to determine the different triggers of Inflammation.

To answer these questions male Sprague-Dawley rats were anesthetized and were ventilated over 24 hours. Vital parameters were continuously monitored and Interleukin-6 was determined via blood samples. All animal-procedures took place by permission of the local agency of animal protection. To initiate an inflammatory reaction two toxins, alpha-toxin and lipopolysaccharid (LPS), were applicated in two different doses (“Low Dose” and “High Dose”). Exhaled breath was automatically measured every twenty minutes by IMS.

In the present study we determined specific volatile exhaled components (VOCs) associated with inflammation induced by alpha-toxin or LPS. After alpha-toxin treatment, 1-butanol and 1-pentanol showed increase in signal intensity. Contrary butanal and isopropylamine showed a decrease in signal intensity instead. The LPS groups could be differentiated from the control group by increase of 1-pentanol and decrease of 2-propanol. For 2-butanone, LPS Low Dose treatment resulted in an increase of intensity, but LPS High Dose decreased. However, this study showed that inflammation in rats can be detected by specific VOCs in exhaled breath and the different triggers of inflammation, as LPS or alpha-toxin, can be distinguished.