Nicht-invasive Diagnostik in der Neonatologie: Messung von volatilen organischen Verbindungen in der Inkubatoratmosphäre von Frühgeborenen und Identifikation charakteristischer Metaboliten im klinischen Setting

Abstract

Frühgeborene stellen ein besonders vulnerables Patientenkollektiv dar, das häufig medikamentös therapiert werden muss. Die Pharmakokinetik von Arzneistoffen bei Frühgeborenen unterscheidet sich jedoch grundlegend von der Erwachsener, weshalb die korrekte Dosierung der Medikamente eine besondere Herausforderung darstellt. Ein adäquater Medikamentenspiegel ist für die Therapie essenziell und kann über Leben und Tod entscheiden. Derzeit kann der Medikamentenspiegel nur mittels Serumspiegel kontrolliert werden. Hierfür wird eine Blutentnahme benötigt, welche allerdings aufgrund des geringen Gesamtblutvolumens der Frühgeborenen stark limitiert ist. Bei der Etablierung nicht invasiver Diagnostikverfahren spielt die Detektion volatiler organischer Verbindungen (VOCs) zunehmend eine wichtige Rolle. Alternative nicht invasive Methoden zur Detektion von Metaboliten in Form von VOCs wären ein Meilenstein in der medizinischen Versorgung von Frühgeborenen. Das multikapillarsäulengekoppelte Ionenmobilitätsspektrometer (MCC-IMS) stellt eine kostengünstige, leicht anwendbare und mobil einsetzbare Methodik zur Detektion von VOCs dar. Im MCC-IMS wird jeder VOC ionisiert und generiert ein elektrisches Signal, das auf einer sogenannten Heatmap anhand der Driftzeit im IMS und der Retentionszeit in der Multikapillarsäule einem Peak zugeordnet werden kann. Die Signalstärke des Peaks ist dabei proportional zur Stoffkonzentration in der Probe. Das MCC-IMS arbeitet mit Umgebungs-druck und kann im Gegensatz zu bereits etablierten Verfahren, wie der Gaschromatografie, direkt am Patientenbett eingesetzt werden. VOCs können aus der Umgebungsluft verschiedenster Probematerialien wie Urin, Ausatemluft oder - wie in dieser Arbeit - aus der Inkubatoratmosphäre gewonnen werden. Die Inkubatoratmosphäre ist eine einfach zugängliche Probenquelle, da sie über Portöffnungen in den Inkubatoren gewonnen werden kann. Die Öffnung der Inkubatortüren ist daher für die Probenentnahme nicht notwendig und das in sich geschlossene System um den Patienten wird nicht mit der Raumluft vermischt. Die Arbeitsgruppe der Neonatologie der Universität des Saarlandes hat die Messung von VOCs in der Inkubatoratmosphäre als neue Methode entwickelt. So konnten die VOC-Profile belegter und unbelegter Inkubatoren voneinander unter-schieden werden. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass ein hohes Potenzial zur Detektion von Biomarkern aus diesem Probenmaterial besteht. Ziel dieser Arbeit ist es zu prüfen, ob die Gabe eines Medikamentes einen Einfluss auf das VOC-Profil der Inkubatoratmosphäre hat. Außerdem wir die Zuordnung von einzelnen oder mehreren VOCs zu Substanzen bzw. zu Medikamenten sowie die Unterscheidung zwischen Medikamenten einer Wirkstoffgruppe anhand von VOCs angestrebt. Insgesamt wurden 155 Messungen der Inkubatoratmosphären von 32 Kindern durchgeführt. Zu den Einschlusskriterien gehörte eine Geburt vor der vollendeten 37. Schwangerschaftswoche und der Aufenthalt auf der Frühgeborenen-Intensivstation der Klinik für Allgemeine Pädiatrie und Neonatologie am UKS Homburg in einem Inkubator vom Typ Thermocare Vita (WY2402, Weyer GmbH, Kürten-Herweg, Germany). Zunächst wurden Messungen von Kindern, denen ein bestimmtes Medikament verabreicht wurde, mit Messungen von Kindern, die dieses nicht erhalten hatten, in Sets gruppiert. 141 Messungen wurden weitergehend ana-lysiert. Es wurden 12 Medikamente ausgewählt, die z.T. Spiegelkontrollen erforderlich machen. Von den insgesamt 334 ermittelten, potenziell unterschiedlichen Peaks (sog. „Level U“) erreichten 15 Peaks nach Bonferroni-Korrektur eine Signifikanz. Diese 15 Peaks sind bei Kindern identifiziert worden, die Miconazol, 1,3-Dimethylxanthin und Kaliumchlorid (KCl) zu finden. Drei dieser signifikant unterschiedlichen Peaks konnten mithilfe einer Datenbank spezifischen Substanzen zugeordnet werden. Neun nach „Level U“ potenziell unterschiedliche Peaks konnten mithilfe einer Datenbank ebenfalls Substanzen zugeordnet werden bzw. zeigten eine hohe Übereinstimmung mit diesen. Wir konnten durch den Einsatz von Entscheidungsbäumen Kinder, die Pantoprazol, Furosemid oder KCl erhalten haben, von der jeweiligen Vergleichsgruppe unterscheiden. Die Sensitivität liegt bei allen drei Entscheidungsbäumen bei 100 %, ebenso der negative prädiktive Wert. Die Spezifität liegt zwischen 86 und 90 % und der positive prädiktive Wert zwischen 84 und 90 %. Diese Arbeit versucht erstmals mithilfe der Inkubatoratmosphäre von Frühgeborenen Informationen über verabreichte Medikamente zu gewinnen. Mit einem MCC-IMS durchgeführte Messungen bestätigen, dass die Inkubatoratmosphäre von Frühgeborenen Informationen über verabreichte Medikamente liefert. Mit dem hier etablierten Messprotokoll können Folgestudien durchgeführt werden. Mit dieser Arbeit wurde die Basis gelegt, zukünftig Medikamentenspiegel bei Frühgeborenen potenziell ohne invasive Methoden tagesaktuell und bettseitig bestimmen zu können.

Premature infants are a particularly vulnerable group of patients who frequently require drug therapy. However, their pharmacokinetics are fundamentally different from those of adults, making the correct dosing of medications a particular challenge. Still, adequate drug levels are essential for therapy and can make the difference between life and death. Currently, the only way to monitor drug levels is to check serum levels in the patient's blood. This requires a blood sample, which is very limited due to the low total blood volume of preterm infants. In modern research, so-called volatile organic compounds (VOCs) are increasingly playing an important role in the establishment of non-invasive diagnostic methods. Alternative non-invasive methods for the detection of metabolites in the form of VOCs would be a milestone in the medical care of premature infants. The multi-capillary column-ion mobility spectrometer (MCC-IMS) is a cost-effective, easily transportable and mobile method for the detection of VOCs. In the MCC-IMS, each VOC is ionized and generates an electrical signal that can be assigned to a peak on a so-called heat map based on the drift time in the IMS and the retention time in the multicapillary column. The signal strength of the peak is proportional to the substance concentration of the sample. The MCC-IMS operates at ambient pressure and, in contrast to established methods such as gas chromatography, can be used directly at the bedside. The measured VOCs can be obtained from the ambient air of various sample materials such as urine, exhaled air or, like in this work, from the incubator atmosphere. The incubator atmos-phere is an easily accessible sample source because it can be obtained through port openings in the incubators without having to open the incubator and mix the self-contained system around the patient with the surrounding room air. The working group of the neonatology department of Saarland University has already established the measurement of VOCs in the incubator at-mosphere as a method. Thus, the VOC profiles of occupied and unoccupied incubators could be distinguished from each other. This promising basis offers reason to believe that there is a high potential for the detection of biomarkers from this sample material. The aim of this work is to distinguish the VOC profile of an incubator atmosphere of a child who has been administered a drug from the VOC profile of an incubator atmosphere of a child who has not received this drug. In addition, the question arises whether individual drugs or drug groups can be assigned to one or more VOCs and whether the VOCs of a drug group differ from each other. The assignment of VOCs to a substance would be desirable. A total of 155 measurements of the incubator atmospheres of 32 infants were performed. The inclusion criteria of the participants included a birth before the completed 37th week of preg-nancy and the stay in the pediatric intensive care unit of the University Hospital Homburg in an incubator of the type Thermocare Vita (WY2402, Weyer GmbH, Kürten-Herweg, Ger-many). First, measurements from children who were administered a specific drug were grouped into sets with measurements from children who did not receive this drug. 141 measurements were analyzed further. The selection of medications was limited to 12 substances, choosing both commonly used medications and medications whose use in neonatology is considered crit-ically. Of the total 334 peaks identified as tending to differ (by so called level U), 15 peaks were significant after Bonferronic correction. These 15 peaks were found in the miconazole, 1,3-Dimethylxanthine, and potassium chloride (KCl) sets. Three of these peaks could be assigned to specific substances using a database. Nine potentially different peaks according to "level U" could also be assigned to substances with the aid of a database or showed a high level of agree-ment with them. By using decision trees, we were able to distinguish children who received pantoprazole, furosemide or KCl from the respective comparison group. The sensitivity and the negative predictive value are 100 % for all three decision trees. The specificity is between 86 and 90 % and the positive predictive value is between 84 and 90 %. This work attempts for the first time to obtain information about administered drugs using the incubator atmosphere of premature infants. Measurements performed with a MCC-IMS con-firm that the incubator atmosphere of premature infants provides information about adminis-tered drugs. Follow-up studies can be performed using the measurement protocol established here. This work shows the potential to determine drug levels on a daily basis without invasive meth-ods in the future.