Untersuchung der flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) in der Ausatemluft von Kindern mittels Ionen-Mobilitätsspektrometrie

Abstract

Pro Jahr erkranken in Deutschland durchschnittlich 2000 Kinder an einer malignen Neoplasie. In Abhängigkeit der Grunderkrankung kommen multimodale Behandlungsansätze zum Einsatz. Ein bedeutender Nebenaspekt der systemischen Chemo-, Radio- und Immuntherapie ist die Reduzierung der spezifischen und der unspezifischen Immunität. Der schweren, therapiebedingten Neutropenie kommt hier eine besondere Bedeutung zu, da diese mit einem deutlich erhöhten Risiko für opportunistische Infektionen einhergeht und im schlimmsten Falle in einer Sepsis resultiert. Die Sepsis stellt einen potenziell lebensbedrohlichen Zustand dar und ist eine häufige Ursache für eine erhöhte Krankenhaussterblichkeit vor allem bei immunkompromittierten und kritisch kranken Patienten. Die Sepsis ist definiert als eine akut lebensbedrohliche Multiorgandysfunktion, die aus einer Fehlregulierung der Immunantwort des Wirts auf eine Infektion zurückzuführen ist. Eine frühzeitige und verlässliche Diagnose und eine sich anschließende zielgerichtete Therapie sind für den weiteren Krankheitsverlauf und das Überleben des Patienten von entscheidender Bedeutung. Die Nachteile der bisher verfügbaren diagnostischen Möglichkeiten sind jedoch zum Teil langwierige Kultivierungsprozesse der Erreger, die begrenzte Möglichkeit der Erfassung der Krankheitsdynamik sowie insbesondere im Fall der Pädiatrie, die Invasivität der Probeentnahme. Die Anforderungen an ein schnelles diagnostisches Werkzeugs vor Ort („Point of Care“), dass die genannten Hürden der Standarddiagnostik überwindet und zudem eine hohe Sensitivität und Spezifität aufweist, könnte durch die Analyse der Atemluft mit Hilfe der MCC/IMS Technologie gedeckt werden. Durch kurze Analysezeiten im Minutenbereich ermöglicht die MCC/IMS Technologie nahezu eine Echtzeit-Analyse. Zudem gibt sie aufgrund ihrer hohen Sensitivität im parts-per-trillion (ppt) Bereich ein umfassendes Abbild der volatilen organischen Komponenten (VOC) in der Ausatemluft von Patienten wieder. Die Ausatemluft lässt über den stetigen Gasaustausch in der Lunge Rückschlüsse auf den metabolischen und mikrobiologischen Status des Patienten zu. Das MCC/IMS stellt somit eine vielversprechende Alternative für eine zeitnahe „Point-of-Care“ Diagnostik der Sepsis dar. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Studie erfolgte zunächst der Nachweis von spezifischen Peaks, die eine signifikante Trennung der Gruppen „Patienten mit Neutropenie unter zytostatischer Therapie im Vergleich zu Gesunden“, „Patienten mit Inflammation im Vergleich zu Gesunden“ und „Patienten mit Fieber im Vergleich zu Gesunden“ ermöglichten. Im zweiten Abschnitt erfolgte darauf aufbauend die Reproduktion und Darstellung dieser und weiterer Peaks im individuellen Verlauf einzelner Patienten unter zytostatischen Behandlung. Aus den insgesamt 974 Atemluftmessungen konnten zehn Peaks als potenzielle Kandidaten für eine Differenzierung zwischen Inflammation/Sepsis und dem gesunden Kontrollkollektiv extrahiert werden. Mit Hilfe der MCC/IMS Datenbank gelang mit Ausnahme von Peak 16 und Peak 135 die Zuordnung der folgenden acht flüchtigen organischen Komponenten: Aceton, Isopropylamin, Butanol, Butanon, Propanal, Butanal, Pentanal, 3- Methylbutanal. Die identifizierten flüchtigen Komponenten müssen jedoch in einem weiteren Untersuchungsschritt unter Zuhilfenahme eines Gaschromatografie- Massenspektrometers (GC-MS) verifiziert werden, da für die Multi-Capillary-Column- Ionenmobilitätsspektrometrie (MCC-IMS) zum Zeitpunkt dieser Arbeit keine Referenz existiert. Vor allem die Ketone Aceton und Butanon sowie das Aldehyd Pentanal zeigten signifikant erhöhte Intensitäten in allen vier Untersuchungsgruppen im Vergleich zur gesunden Population und stellen somit potentielle Biomarker für eine frühzeitige nicht-invasive Identifizierung einer Inflammation/Sepsis bei Kindern mit maligner Systemerkrankung dar. Zudem konnten bei Patienten mit Neutropenie und Fieber erhöhte Peak-Intensitäten der Aldehyde Butanal und Propanal nachgewiesen werden. Abschließend ist zusammenfassend zu sagen, sich mit der Multi-Capillary-Column- Ionenmobilitätsspektrometrie neue diagnostische Möglichkeiten in der Atemluftanalyse auf dem Gebiet der hämato-onkologischen Pädiatrie eröffnet werden.

On average, more than 2000 children in Germany suffer from malignant neoplasia every year. Depending on the underlying disease, multimodal treatment approaches are used. An important side aspect of systemic chemo-, radio- and immunotherapy is the reduction of specific and non-specific immunity. Severe, therapy- related neutropenia is of particular importance, as it is associated with a significantly increased risk of opportunistic infections and in the worst-case results in sepsis. Sepsis is a potentially life-threatening condition and is a frequent cause of increased hospital mortality, especially in immunocompromised and critically ill patients. Sepsis is defined as an acutely life-threatening multiple organ dysfunction resulting from a dysregulation of the host`s immune response to infection. Early and reliable diagnosis and subsequent targeted therapy are crucial for the further course of the disease and the survival of the patient. However, the disadvantages of the diagnostic methods available so far are the lengthy cultivation of the pathogens, the limited possibility of recording disease dynamics and particularly in the case of paediatrics, the invasiveness of sampling. The need for a cost-effective diagnostic tool that overcomes the above-mentioned hurdles of standard diagnostics and also has high sensitivity and specificity, could be met by analysing breathing air using MCC/IMS technology. Thanks to short analysis times in the minute range, the MCC/IMS technology enables real-time analysis. In addition, due to its high sensitivity in the parts-per-trillion range, it reproduces a comprehensive real-time image of the volatile organic components (VOC) in the exhaled air of patients. The exhaled air allows to analyse the metabolic and microbiological status of the patient via gas exchange in the lungs. The MCC/IMS thus represents a promising alternative for a timely “point-of-care” diagnosis of sepsis. In the first part of the present study, specific peaks were identified that allowed a significant separation of the groups “patients with neutropenia under cytostatic therapy compared to healthy persons”, “patients with inflammation compared to healthy persons” and “patients with fever compared to healthy persons”. In the second section, the reproduction and representation of these and other peaks in the individual course of cytostatic treatment was carried out. Ten peaks were extracted from a total of 974 breath measurements as potential candidates for differentiation between inflammation/sepsis and the healthy control group. With the help of the MCC/IMS database, with the exception of peak 16 and peak 135, the following eight volatile organic compounds were detected with: acetone, isopropylamine, butanol, butanone, propanal, butanal, pentanal, 3- methylbutanal. However, the identified volatile components need to be verified in a further step of investigation using a gas chromatography mass spectrometer (GC-MS), as there is no reference for multi-capillary column ion mobility spectrometry (MCC-IMS). In particular, ketones acetone and butanone as well as the aldehyde pentanal showed significantly increased intensities in all four study groups compared to healthy populations and thus represent potential biomarkers for an early non-invasive identification of inflammation/sepsis in children with malignant systemic disease. In addition, increased peak intensities of the aldehydes butanal and propanal were detected in patients with neutropenia and fever. In conclusion, multi-capillary-column ion mobility spectrometry offers new diagnostic possibilities in respiratory air analysis in the field of hemato-oncological pediatrics.