Analysis of nitrogen oxides (NOx) in the exhaled breath condensate (EBC) of subjects with asthma as a complement to exhaled nitric oxide (FeNO) measurements: a cross-sectional study

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The study of pulmonary biomarkers with noninvasive methods, such as the analysis of exhaled breath condensate (EBC), provides a useful approach to the pathophysiology of asthma. Although many recent publications have applied such methods, numerous methodological pitfalls remain. The first stage of our study consisted of validating methods for the collection, storage and analysis of EBC; we next sought to clarify the utility of analysing nitrogen oxides (NOx) in the EBC of asthmatics, as a complement to measuring exhaled nitric oxide (FeNO).</p> <p>Methods</p> <p>This hospital-based cross-sectional study included 23 controls matched with 23 asthmatics. EBC and FeNO were performed and respiratory function measured. Intra-assay and intra-subject reproducibility were assessed for the analysis of NOx in the EBC of 10 healthy subjects.</p> <p>Results</p> <p>The intraclass correlation coefficient (ICC) was excellent for intra-assay reproducibility and was moderate for intra-subject reproducibility (Fermanian's classification). NOx was significantly higher in asthmatics (geometric mean [IQR] 14.4 μM [10.4 - 19.7] vs controls 9.9 μM [7.5 - 15.0]), as was FeNO (29.9 ppb [17.9 - 52.4] vs controls 9.6 ppb [8.4 - 14.2]). FeNO also increased significantly with asthma severity.</p> <p>Conclusions</p> <p>We validated the procedures for NOx analysis in EBC and confirmed the need for assays of other biomarkers to further our knowledge of the pathophysiologic processes of asthma and improve its treatment and control.</p

Évaluation méthodologique et clinique des marqueurs de l’atteinte pulmonaire dans l’air exhalé : comparaison de sujets présentant une pathologie respiratoire chronique et sujets témoins

The study of both volatile (FeNO) and non-volatile respiratory biomarkers using the method of exhaled breath condensates can be useful in medical surveillance of exposed workers, the early identification of respiratory diseases or in the monitoring of their development. Studies of exhaled NO (FeNO) is now well standardized and the exponential increase in publications on exhaled breath condensate (EBC) reflects growing interest in a non-invasive diagnosis of pulmonary diseases. The biomarkers studied are products of inflammation, such as FeNO and cytokines, and products of oxidative stress, including hydrogen peroxide (H202), products of lipid peroxydation (8-isoprostane, malondialdehyde) and nitrogen oxides. The first recommendation was published in 2005 but although many recent publications have applied this new method, numerous methodological pitfalls remain and still described in 2012. They concern all the stages of the collection to the analysis.Objectives: The main objective of this research was initially to develop the method of EBC for the study of compounds of exhaled air and then detect and quantify biomarkers such as total protein, NOx and 8-isoprostane in exhaled air in a population of healthy adults (n = 48) or patients with lung inflammatory diseases such as asthma (n = 24), COPD (n = 20), diffuse interstitial pneumonia (n = 27) and scleroderma (n = 27). The secondary objective was to compare levels of biomarkers measured in the EBC and FeNO in patients compared to controls.Results / conclusion: Our research, supported by ANR and ANSES, allowed to standardize the methodology of collection and analysis of EBC with a choice of the collection system and coating which must be effective and compatible with the analyzes. In EBC, we control the dosage of biomarkers such as proteins, NOx and 8-isoprostane. Other biomarkers are still being studied such as malondialdehyde and cytokines. This published methodological study, allowed in a second step the detection (> 95%) and quantification of these biomarkers in EBC of healthy patients in our population.Perspectives: This standardization is a key epidemiological requirement for the task force on the establishment of reference values and the publication of methodological guidelines so as to realize the promise of this approach for clinical studies of lung diseases. We have also to finish the development of biomarkers such as cytokines or malondialdehyde and to investigate new biomarkers to complete the pathophysiological mechanisms. Finally our objective is the widespread use of this noninvasive method in daily epidemiological studies on subjects with professional and/or environmental exposure. In this context, the study of markers of the toxic burden in the lungs such as heavy metals in the EBC is being developed.Un accès direct et non invasif à la pathogénèse par l’évaluation de biomarqueurs volatils (FeNO) ou non volatils de l’air exhalé grâce à la méthode des condensats de l’air exhalé (EBC) est utile pour estimer précocement le degré d’atteinte pulmonaire en rapport avec une exposition professionnelle et surveiller son évolution en regard des mesures correctives mises en place. L’étude du NO exhalé (FeNO) est actuellement bien standardisée et l’augmentation exponentielle des publications concernant les EBC reflètent un intérêt croissant pour le diagnostic non invasif des atteintes pulmonaires. Les marqueurs étudiés dans l’air exhalé sont des produits de l'inflammation tels que le FeNO et les cytokines ainsi que des produits du stress oxydant incluant le peroxyde d'hydrogène, les produits de peroxydation lipidique (8-isoprostane, malondialdehyde) et les oxydes d'azote (NOx). S’agissant d’une technique d’exploration relativement récente, les modalités méthodologiques font encore l’objet de nombreux travaux, les premières recommandations internationales étant apparues en 2005. Les écueils méthodologiques sont nombreux et encore décrits dans la littérature en 2012. Ils concernent toutes les étapes du processus du recueil et d’analyses.Objectifs : L’objectif principal de notre recherche était dans un premier temps de développer la méthode des EBC pour l'étude des composés de l'air exhalé puis de détecter et quantifier des biomarqueurs tels que les protéines totales, les NOx et le 8-isoprostane dans les EBC d’une population d’adultes sains (n= 48) ou atteints de pathologies pulmonaires telles que l'asthme (n=24), la BPCO (n=20), la pneumopathie interstitielle diffuse (n=27) et la sclérodermie (n=27). L’objectif secondaire était la comparaison des niveaux de biomarqueurs dosés dans les EBC et du FeNO chez les sujets malades par rapport aux témoins.Résultats / Conclusion : Notre recherche, soutenue l’ANR et l’ANSES, a permis de standardiser la méthodologie de recueil et d’analyse des EBC avec une optimisation du système de recueil et de l’agent coatant pour la détermination de la concentration nécessaire et compatible avec les analyses. Nous maitrisons le dosage dans les EBC des biomarqueurs tels que les protéines, les NOx et le 8-isoprostane. D'autres biomarqueurs sont encore en cours d'étude tels que le malondialdehyde et les cytokines. Ce travail méthodologique, publié, a permit dans un second temps la détection (> à 95%) et la quantification de ces biomarqueurs dans les EBC des sujets sains et malades de notre population.Perspectives : La constitution des valeurs de référence pour les biomarqueurs dosés dans les EBC est nécessaire à l’interprétation des dosages chez les sujets malades. Il convient également de finaliser la standardisation de la mesure des cytokines et du malondialdehyde et d’explorer de nouveaux biomarqueurs produits lors du stress nitrosant tels que la 3-nitrotyrosine pour compléter les mécanismes physiopathologiques. Enfin le développement de cette méthode non invasive et peu contraignante apparait prometteuse en clinique médicale dans le suivi individuel de la maladie ou son traitement comme lors d’études épidémiologiques respiratoires dans des populations exposées professionnellement ou environnementalement. Dans ce cadre, l’étude de marqueurs d’exposition professionnelle tels que les métaux lourds dans les EBC est en cours de développement

Methodological and clinical evaluation of markers of the lung injury in exhaled breath : comparison of subjects with chronic respiratory disease and controls

Un accès direct et non invasif à la pathogénèse par l’évaluation de biomarqueurs volatils (FeNO) ou non volatils de l’air exhalé grâce à la méthode des condensats de l’air exhalé (EBC) est utile pour estimer précocement le degré d’atteinte pulmonaire en rapport avec une exposition professionnelle et surveiller son évolution en regard des mesures correctives mises en place. L’étude du NO exhalé (FeNO) est actuellement bien standardisée et l’augmentation exponentielle des publications concernant les EBC reflètent un intérêt croissant pour le diagnostic non invasif des atteintes pulmonaires. Les marqueurs étudiés dans l’air exhalé sont des produits de l'inflammation tels que le FeNO et les cytokines ainsi que des produits du stress oxydant incluant le peroxyde d'hydrogène, les produits de peroxydation lipidique (8-isoprostane, malondialdehyde) et les oxydes d'azote (NOx). S’agissant d’une technique d’exploration relativement récente, les modalités méthodologiques font encore l’objet de nombreux travaux, les premières recommandations internationales étant apparues en 2005. Les écueils méthodologiques sont nombreux et encore décrits dans la littérature en 2012. Ils concernent toutes les étapes du processus du recueil et d’analyses.Objectifs : L’objectif principal de notre recherche était dans un premier temps de développer la méthode des EBC pour l'étude des composés de l'air exhalé puis de détecter et quantifier des biomarqueurs tels que les protéines totales, les NOx et le 8-isoprostane dans les EBC d’une population d’adultes sains (n= 48) ou atteints de pathologies pulmonaires telles que l'asthme (n=24), la BPCO (n=20), la pneumopathie interstitielle diffuse (n=27) et la sclérodermie (n=27). L’objectif secondaire était la comparaison des niveaux de biomarqueurs dosés dans les EBC et du FeNO chez les sujets malades par rapport aux témoins.Résultats / Conclusion : Notre recherche, soutenue l’ANR et l’ANSES, a permis de standardiser la méthodologie de recueil et d’analyse des EBC avec une optimisation du système de recueil et de l’agent coatant pour la détermination de la concentration nécessaire et compatible avec les analyses. Nous maitrisons le dosage dans les EBC des biomarqueurs tels que les protéines, les NOx et le 8-isoprostane. D'autres biomarqueurs sont encore en cours d'étude tels que le malondialdehyde et les cytokines. Ce travail méthodologique, publié, a permit dans un second temps la détection (> à 95%) et la quantification de ces biomarqueurs dans les EBC des sujets sains et malades de notre population.Perspectives : La constitution des valeurs de référence pour les biomarqueurs dosés dans les EBC est nécessaire à l’interprétation des dosages chez les sujets malades. Il convient également de finaliser la standardisation de la mesure des cytokines et du malondialdehyde et d’explorer de nouveaux biomarqueurs produits lors du stress nitrosant tels que la 3-nitrotyrosine pour compléter les mécanismes physiopathologiques. Enfin le développement de cette méthode non invasive et peu contraignante apparait prometteuse en clinique médicale dans le suivi individuel de la maladie ou son traitement comme lors d’études épidémiologiques respiratoires dans des populations exposées professionnellement ou environnementalement. Dans ce cadre, l’étude de marqueurs d’exposition professionnelle tels que les métaux lourds dans les EBC est en cours de développement.The study of both volatile (FeNO) and non-volatile respiratory biomarkers using the method of exhaled breath condensates can be useful in medical surveillance of exposed workers, the early identification of respiratory diseases or in the monitoring of their development. Studies of exhaled NO (FeNO) is now well standardized and the exponential increase in publications on exhaled breath condensate (EBC) reflects growing interest in a non-invasive diagnosis of pulmonary diseases. The biomarkers studied are products of inflammation, such as FeNO and cytokines, and products of oxidative stress, including hydrogen peroxide (H202), products of lipid peroxydation (8-isoprostane, malondialdehyde) and nitrogen oxides. The first recommendation was published in 2005 but although many recent publications have applied this new method, numerous methodological pitfalls remain and still described in 2012. They concern all the stages of the collection to the analysis.Objectives: The main objective of this research was initially to develop the method of EBC for the study of compounds of exhaled air and then detect and quantify biomarkers such as total protein, NOx and 8-isoprostane in exhaled air in a population of healthy adults (n = 48) or patients with lung inflammatory diseases such as asthma (n = 24), COPD (n = 20), diffuse interstitial pneumonia (n = 27) and scleroderma (n = 27). The secondary objective was to compare levels of biomarkers measured in the EBC and FeNO in patients compared to controls.Results / conclusion: Our research, supported by ANR and ANSES, allowed to standardize the methodology of collection and analysis of EBC with a choice of the collection system and coating which must be effective and compatible with the analyzes. In EBC, we control the dosage of biomarkers such as proteins, NOx and 8-isoprostane. Other biomarkers are still being studied such as malondialdehyde and cytokines. This published methodological study, allowed in a second step the detection (> 95%) and quantification of these biomarkers in EBC of healthy patients in our population.Perspectives: This standardization is a key epidemiological requirement for the task force on the establishment of reference values and the publication of methodological guidelines so as to realize the promise of this approach for clinical studies of lung diseases. We have also to finish the development of biomarkers such as cytokines or malondialdehyde and to investigate new biomarkers to complete the pathophysiological mechanisms. Finally our objective is the widespread use of this noninvasive method in daily epidemiological studies on subjects with professional and/or environmental exposure. In this context, the study of markers of the toxic burden in the lungs such as heavy metals in the EBC is being developed

Beryllium in exhaled breath condensate as a biomarker of occupational exposure in a primary aluminum production plant

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