Identifizierung volatiler organischer Substanzen als potenzielle Biomarker von Chorioamnionitis und von Infektionen bei Frühgeborene

Abstract

Neonatal infections are among the most life-threatening diseases during the neonatal period. Premature birth in particular contributes significantly to perinatal morbidity and mortality. The etiology of premature birth is multifactorial. The reasons can be both on the side of the mother and the child. Chorioamnionitis and prenatal infections are significant risk factors. Worldwide, chorioamnionitis is one of the main causes of premature birth-related morbidity. In premature infants under 28 weeks of gestation, chorioamnionitis can be detected in up to 60% of cases. A diagnosis is often only confirmed postnatally by histology and leads to delays in interventions. To date, the identification of pregnant women with chorioamnionitis as well as infections in premature and newborn babies has been difficult due to unspecific symptoms. The analysis of volatile organic substances could be a diagnostic aid for the detection and monitoring of diseases. Volatile organic substances are carbon-based, gaseous metabolic products of physiological and pathophysiological processes that can be detected in biological samples. Technical progress allows increasingly complex analysis of gases and odors. By using a mobile electric nose, individual smellprints, comparable to fingerprints, can be created and graphically displayed. Ion mobility spectrometry also allows the analysis and detection of substance classes even at the lowest concentrations. In this work, a multicapillary column ion mobility spectrometer and an electronic nose were used to analyze volatile organic compounds. On the one hand, the present work deals with the question of whether volatile organic compounds can be found in sample material from pregnant sheep, whether they differ in their profile in amnionitis of different etiology and whether a specific biomarker of the organic compounds can be identified, which can be used as a potential diagnostic marker for amnionitis. On the other hand, with the question of whether biosamples from premature infants with and without infection can be distinguished and which biosamples are suitable for the prediction of an infection.

Ureaplasma parvum is one of the most frequently isolated bacteria from the amniotic fluid of pregnant women with chorioamnionitis. Interleukin-1 plays a key role in the signaling pathway of inflammatory reactions. Using an animal model of chorioamnionitis, profiles of volatile organic substances from amnion samples were analyzed. The sheep received intraamniotic injections of ureaplasma, interleukin or control medium. It was possible to distinguish bacterial chorioamnionitis from controls and even between ureaplama and interleukin induces chorioamnionitis. The best differentiation between ureaplasma-induced amnionitis and interleukin-1 was achieved with 2-methlypentane. This was achieved with a sensitivity of 96% and a specificity of 95%. 2-Methylpentane could be identified as a possible diagnostic marker of chorioamnionitis. In addition, the relative concentration of 2-menthylpentane varied with the time course of chorioamnionitis. The concentration of 2-methylpentane peaked on day 7 after instillation of ureaplasma. 2-Methylpentane was only detected in amniotic fluid after infection with ureaplasma, but not in interleukin-1-induced chorioamnionitis. This suggests that 2-methylpentane was associated with ureaplasma infection in a time-dependent manner and independently of the interleukin-mediated inflammatory pathway. This substance has already been described in the literature in a variety of inflammatory reactions, malignant neoplasms, oxidative stress or, for example, sepsis.

Analyses of the sample material using an electronic nose showed that amniotic fluid with ureaplasma and endotoxins as well as between interleukin-1 and endotoxin could be distinguished. However, the cross-validation value was low at 50%. The greatest differentiation was achieved between samples with ureaplasma and interleukin. The cross-validation value was 76.32%.

Analyses of 456 biosamples from premature infants using electronic nose, consisting of tracheal aspirate, stool and urine, could not significantly distinguish between diseased and healthy patient in this study. The greatest differentiation could be achieved by analyzing urine samples.

Neugeboreneninfektionen gehören zu den bedrohlichsten Erkrankungen während der Neonatalperiode. Insbesondere die Frühgeburt trägt wesentlich zur perinatalen Morbidität und Mortalität bei. Die Ätiologie der Frühgeburt ist multifaktoriell. Gründe können sowohl bei der Mutter, als auch beim Kind liegen. Die Chorioamnionitis und pränatale Infektionen sind wesentliche Risikofaktoren. Weltweit stellt die Chorioamnionitis eine der Haupursachen für frühgeburtsbedingte Morbidität dar. Bei Frühgeborenen unter der 28. SSW ist eine Chorioamnionitis in bis zu 60 % der Fälle nachweisbar. Eine Diagnosesicherung wird häufig erst postnatal histologisch gesichert und führt zu Verzögerung von Interventionen. Bis heute bereitet sowohl die Identifizierung von Schwangeren mit Chorioamnionitis, als auch von Infektionen bei Früh- und Neugeborenen aufgrund unspezifischer Symptome Schwierigkeiten. Ein diagnostisches Hilfsmittel könnten die Analysen flüchtiger organischer Substanzen sein und der Erkennung und Überwachung von Erkrankungen dienen. Flüchtigen organischen Substanzen sind kohlenstoffbasierte, gasförmige Stoffwechselprodukte physiologischer und pathophysiologischer Prozesse, die in biologischen Proben nachgewiesen werden können. Technischer Fortschritt erlaubt die zunehmend komplexe Analysen von Gasen und Gerüchen. Durch Einsatz einer mobilen elektrischen Nase können individuelle Smellprints, vergleichbar mit Fingerabdrücken erstellt und graphisch dargestellt werden, die Ionenmobilitässpektrometrie erlaubt zusätzlich die Analyse und Detektion von Stoffklassen selbst bei geringsten Konzentrationen. In dieser Arbeit wurden zur Analyse flüchtiger organischer Verbindungen ein multikapillarsäulen – Ionenmobilitätsspektrometer und eine elektronische Nase verwendet. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich einerseits mit der Frage, ob sich flüchtige organisch Verbindungen an Probenmaterial von trächtigen Schafen finden lassen, diese sich in ihrem Profil bei Amnionits differenter Ätiologie unterscheiden und ob ein spezifischer Biomarker der organischen Verbindungen identifiziert werden kann, der als potenzieller diagnostischer Marker für eine Amnionits dienen könnte. Andererseits mit der Frage, ob sich Bioproben von Frühgeborenen mit und ohne Infektion unterscheiden lassen und welche Bioproben für die Prädiktion einer Infektion geeignet sind.

Ureaplasma parvum ist eines der am häufigsten aus dem Fruchtwasser schwangerer Frauen mit Chorioamnionitis isoliertes Bakterium. Interleukin-1 nimmt eine Schlüsselrolle im Signalweg von Entzündungsreaktionen ein. Anhand eines Tiermodells der Chorioamnionitis wurden Profile volatiler organische Substanzen von Amnionproben analysiert. Schafe erhielten intraamniotische Injektionen von Ureaplasma, Interleukin oder Kontrollmedium. Es gelang einerseits bakterielle Chorioamnionitis von Kontrollen zu unterscheiden, andererseits sogar zwischen einer durch Ureaplasmen und Inteleukin- induzierten Chorioamnionitis zu differenzieren. Die beste Differenzierung zwischen Amnionits durch Ureaplamen gegenüber Interleukin-1 gelang durch 2-Methlypentan. Dies gelang mit einer Sensitivität von 96% und einer Spezifität von 95%. 2-Methylpentan konnte als möglicher diagnostischer Marker der Chorioamnionitis identifiziert werden. Darüber hinaus variierte die relative Konzentration von 2-Menthylpentan mit dem zeitlichen Verlauf der Chorioamnionitis. Die Konzentration von 2-Methylpentan erreichte am Tag 7 nach Instillation von Ureaplasmen ihren Höhepunkt. 2-Methylpentan wurde nur im Fruchtwasser nach Infektion mit Ureaplasmen nachgewiesen, jedoch nicht in Interleukin-1 induzierter Chorioamnionitis. Hieraus lässt sich folgern, dass 2-Methylpentan zeitabhängig und unabhängig vom Interleukin vermittelten Entzündungsweg mit der Ureaplasma-Infektion assoziiert war. Dieser Stoff wurde bereits in der Literatur bei einer Vielzahl von inflammatorischen Reaktionen, malignen Neoplasien, oxidativem Stress oder beispielsweise der Sepsis beschrieben.

Durch Analyse des Probenmaterials mittels elektronischer Nase zeigte sich, dass sowohl Amnionflüssigkeit mit Ureaplasmen und Endotoxinen, als auch zwischen Interleukin-1 und Endotoxin unterschieden werden konnte. Jedoch war der Kreuzvalidierungswert mit  50 % niedrig. Die Größte Differenzierung konnte zwischen Proben mit Ureaplasmen und Interleukin erreicht werden. Hierbei betrug der Kreuzvalidierungswert 76,32 %.

456 Bioproben von Frühgeborenen wurden mittels elektronischer Nase analysiert. Diese setzten sich aus Trachealaspirat, Stuhl und Urin zusammen. In dieser Arbeit konnte nicht signifikant zwischen erkrankten und gesunden Patientenkollektiv unterschieden werden. Die größte Differenzierung konnte durch Analyse von Urinproben erreicht werden.