Messung flüchtiger organischer Verbindungen in Inkubatoren von Neugeborenen zur Identifikation von Biomarkern

Abstract

Die frühzeitige Krankheitserkennung mittels invasiver und nicht-invasiver Diagnostikmethoden ist prognoseentscheidend für das therapeutischen Outcome von Frühgeborenen. Kabelgebundene und schmerzhafte Diagnostik wie zum Beispiel Blutentnahmen können bei Frühgeborenen zu stressbedingten Kurz- und Langzeitschäden führen. Neugeborene werden in geschlossenen In-kubatoren versorgt, weshalb sich potenziell diagnostisch verwertbare volatile organische Ver-bindungen (volatile organic compounds, VOCs) in der Luft im Inneren ansammeln können. Ziel der Forschungsarbeit ist deshalb die Entwicklung eines nicht-invasiven Messverfahrens zur Analyse von VOCs in der Inkubatorluft. Hierfür analysierten wir VOC-Profile in der Inkubatoratmosphäre von sterilen, unbenutzten Inkubatoren und von mit Frühgeborenen belegten Inkubatoren auf der Neugeborenen-Intensivstation. Zunächst sollte geklärt werden, welche VOCs vom Kind und welche aus der Umgebung stammen. Anschließend testeten wir das System als Proof of Principle Experiment in definierten klinischen Situationen. Dazu verwendeten wir ein Multikapillarsäulen-gekoppeltes Ionenmobilitätsspektrometer (MCC/IMS) (B&S Analytik GmbH, Dortmund, Germany) sowie eine elektronische Nase Cyranose 320 (Sensigent, Kalifornien, USA). Wir sammelten Mehrfachproben der Inkubatorluft von 36 Frühgeborenen und 23 nicht belegten Inkubatoren mittels Ionenspektrometrie bzw. der Inkubatorluft von elf Frühgeborenen und acht nicht belegten Inkubatoren mittels Cyranose 320. Mittels MCC/IMS identifizierten wir 43 Peaks, deren Konzentration sich signfikant zwischen mit Neugeborenen belegten Inkubatoren und unbenutzten Inkubatoren unterschieden. Durch Kombination von Signal P20 und A5 war eine Differenzierung der Gruppen mit einer Sicherheit von 96,65 % Sensitivität, 99,9 % Spezifität, 99,9 % positiv prädiktem Wert und 95,83 % negativ prädiktivem Wert möglich. Mithilfe der Cyranose 320 unterschieden sich belegte und unbenutzte Inkubatoren mit einer Mahalanobis-Distanz (Distanzmaß zwischen Punkten in einem mehrdimensionalen Vektorraum) von 1,991 und einem Kreuzvalidierungswert (Verfahren zur Kontrolle der Gültigkeit durch unabhängige Replikation der Validierung) von 99,19 %. Durch Variation der Messzeitpunkte, Versuchsope-ratoren, Inkubatormodelle und Inkubatoreinstellungen in denen mittels Ionenenspektrometrie gewonnen Daten stellten wir 73 Peaks als Störsignale fest, die am ehesten von Umgebungsquel-len (Gerätschaften, Pflegemittel) stammen. Die eingeschlossenen Vierlings-, Drillings- und Zwillingskinder zeigten geringe interindividuelle Schwankungen zwischen den Neugeborenen und ihr VOC-Profil war über den Zeitraum der Probennahme (eine Messung pro Tag über drei bis zehn Tage) stabil. Zudem testeten wir das MCC/IMS an den klinisch relevanten Laborparametern Glucose und Bilirubin. Dazu wählten wir die Messungen der Kinder mit den 20 höchsten Werten und den 20 niedrigsten Werten aus dem Routinelabor aus. Die Unterscheidbarkeit zwischen beiden Messgruppen erreichten wir bei dem Parameter Bilirubin mit einer Sicherheit von 80,95 % Sensitivität, 99,9 % Spezifität, 99,9 % positiv prädiktivem Wert und 83,33 % negativ prädiktivem Wert durch Peak P142 und P27. Bei den Messungen der Kinder mit hohen und niedrigen Glucosewerten betrug die Differenzierung der Gruppen 99,9 % Sensitivität, 99,9 % Spezifität, 99,9 % positiv prädiktiver Wert und 99,9 % negativ prädiktiver Wert bei einer Kombination von sechs Peaks. Jedoch erreichte kein Einzelpeak Signifikanz nach Bonferroni. Wir haben mit den beiden Verfahren Ionenspektrometrie (MCC/IMS) und elektronischer Ge-ruchserkennung (Cyranose 320) erste Schritte zur Etablierung einer bedside Diagnostikmethode zur Messung von klinischen Parametern (hier Erprobung an den Laborwerten Bilirubin und Glucose) unternommen. Dazu ermittelten wir zunächst das kindsspezifische VOC-Profil durch Vergleich mit unbelegten, leeren Inkubatoren mittels MCC/IMS und Cyranose 320. Gefundene Peaks mit höherer Intensität in den belegten Inkubatoren stammen potenziell vom Neugeborenen. Bei den mit MCC/IMS durchgeführten Messungen erstellten wird durch Varianz des Ver-suchsaufbaus eine Übersicht mit potenziellen Störvariablen aus der Umgebung. Diese sollten in der weiteren Entwicklung der Methode berücksichtigt werden. Das VOC-Profil von Mehrlingen scheint eher geringgradigen interindividuellen Schwankungen zu unterliegen, sodass Ände-rungen des klinischen Zustands des Neugeborenen möglicherweise deutlicher hervortreten. In der Diagnostik wählten wir die Laborwerte Bilirubin und Glucose als Proof of Principle Expe-riment aus. Wir fanden messbare Unterschiede im VOC-Profil der Kinder mit hohen und niedrigen Werten. Diese Ergebnisse zeigen, dass VOC-Profile direkt am Patientenbett innerhalb von Minuten gemessen werden können und deshalb auf ihren diagnostischen Nutzen geprüft werden sollten.

Early detection of disease using invasive and non-invasive diagnostic methods is decisive for the therapeutic outcome of preterm infants. Wired and painful diagnostics such as blood sam-pling can lead to short- and long-term damage in preterm infants. Newborns are cared for in closed incubators. Therefore, volatile organic compounds (VOCs) can accumulate in the air in-side. The aim of this research work is to develop a non-invasive measurement method based on the analysis of volatile organic compounds (volatile organic compounds, VOCs) in the incuba-tor air. For this purpose, VOC profiles in the incubator atmosphere of empty and occupied incubators were analyzed in the neonatal intensive care unit. First, it should be clarified which VOCs origi-nate from the child and which from the environment. In addition, the system was tested as a proof of principle experiment in clinical situations. We used a multicapillary column-coupled ion-mobility spectrometer (MCC/IMS) (B&S Analytik GmbH, Dortmund, Germany) and an electronic nose Cyranose 320 (Sensigent, California, USA). Multiple samples of incubator air from 36 preterm infants and from 23 unoccupied incubators were collected by ion spectrometry, eleven preterm infants and eight unoccupied incubators were collected by Cyranose 320. By MCC/IMS, 43 peaks were identified whose concentrations differed significantly between incubators occupied with neonates and unoccupied incubators. By combining signal P20 and A5, it was possible to distinguish the groups with a confidence of 96.65% sensitivity, 99.9% specificity, 99.9% positive predictive value and 95.83% negative predictive value. Using Cyranose 320, occupied and unoccupied incubators could be distin-guished with a Mahalanobis distance (distance measure between points in a multidimensional vector space) of 1.991 and a cross-validation value (procedure for checking validity by inde-pendent replication of validation) of 99.19%. By varying the measurement time, operators, incu-bator models and incubator settings in the mesurements with MCC/IMS, 73 peaks were identi-fied that originate most likely from environmental sources (equipment, care products). The in-cluded quadruplets, triplets and twins showed little interindividual variation among neonates. Their VOC profile was stable over the sampling period (one measurement per day for three to ten days). In addition, the MCC/IMS was tested on the laboratory parameters glucose and bili-rubin. For this purpose, the measurements of the children with the 20 highest values and the 20 lowest values were selected from the routine laboratory. The discriminability between both groups of measurements was achieved for the parameter bilirubin with a certainty of 80.95% sensitivity, 99.9% specificity, 99.9% positive predictive value and 83.33% negative predictive value by peak P142 and P27. For the measurements of children with high and low glucose lev-els, the discriminability of the groups was 99.9% sensitivity, 99.9% specificity, 99.9% positive predictive value, and 99.9% negative predictive value by combining six peaks. We have taken first steps towards the establishment of a bedside diagnostic method for the measurement of clinical parameters by ion spectrometry (MCC/IMS) and electronic nose (Cyra-nose 320). Therefore, we first determined the child-specific VOC profile by comparing occu-pied and unoccupied incubators using MCC/IMS and Cyranose 320. Peaks found with higher intensity in the occupied incubators are probably from the newborn. For the measurements per-formed with MSS/IMS, variance in the experimental setting created an overview with potential confounding variables. These should be considered in further development. The VOC profile of multiples seems to have rather minor interindividual variations, so that changes in the clinical condition of the newborn may be more prominent. In diagnostics, laboratory values of bilirubin and glucose were selected as proof of principle experiments. Measurable differences were found in the VOC profile of infants with high and low values. These results show that VOC profiles can be measured bedside within minutes and therefore should be evaluated for their diagnostic utility.