Volatile Biomarker in der Ausatemluft während systemischer Inflammation

Die rasche Diagnose einer systemischen Entzündungsreaktion stellt eine wichtige Herausforderung im klinischen Alltag dar. Im Gegensatz zu aktuell verwendeten, relativ unspezifischen Laborparametern könnte die Atemluftanalyse einen vielversprechenden Ansatz zur Frühdetektion einer Inflammation bieten. Im Rahmen dieser Methode wird die exhalierte Luftprobe mittels Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) auf bestimmte Komponenten untersucht und auf eine Systemreaktionen des Körpers geschlossen. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb mithilfe dieser Technik untersucht, ob während einer systemischen Inflammation volatile Biomarker in der Ausatemluft reproduzierbar zu demonstrieren sind. Dazu wurden männliche Sprague-Dawley® Ratten über einen Zeitraum von 24 h kontrolliert beatmet und repetitiv abgenommene Atemluftproben mithilfe eines IMS analysiert. Nach Untersuchung des physiologischen Atemluftprofils erfolgte der Vergleich mit dem Atemluftprofil von Tieren, bei denen eine systemische Entzündung induziert wurde. Zu diesem Zweck wurden den beatmeten Ratten eine Dosis von 200 µg/kgKG bzw. 600 µg/kgKG des pro-inflammatorischen Zytokins TNF-α injiziert. Nach der Gabe konnte eine systemische Inflammation nachgewiesen werden. In der Atemluft dieser beiden Gruppen wurde ein signifikanter Anstieg der vier Biomarker 1-Butanol, 1-Pentanol, 3-Pentanon und p-Cymol im Vergleich zum physiologischen Atemluftprofil nachgewiesen. In einem ersten Pilotexperiment konnten diese Veränderungen in einem humanen Patienten nachvollzogen werden, dem mittels isolierter Extremitätenperfusion TNF-α appliziert wurde. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte in der vorliegenden Grundlagenstudie gezeigt werden, dass die Atemluftanalyse mittels IMS zum Nachweis einer systemischen Inflammation einsetzbar ist. Die vorliegende Arbeit demonstrierte darüber hinaus, dass die Anwendung dieser Methode nicht nur auf das Tiermodell beschränkt ist, sondern auch bei der humanen Nutzung vielversprechend sein könnte.Timely diagnosis of systemic inflammatory reactions is critical in everyday clinical practice. In contrast to currently used unspecific laboratory parameters, breath analysis may represent a promising approach for the early detection of systemic inflammation. This method assesses the exhaled air for specific volatile organic components using ion mobility spectrometers (IMS). The organic components may themselves be associated with systemic inflammation. The present study analyzes whether volatile biomarkers can be reliably detected during systemic inflammation. Sprague-Dawley® rats were ventilated in a controlled manner over a 24-hour period and breath samples were analyzed by means of an IMS. The physiological profile of the exhaled air from rats was determined and compared with samples of rats during systemic inflammation. Inflammation in rats was induced by injecting a dose of 200 μg/kg or 600 μg/kg of the pro-inflammatory cytokine TNF-α at the beginning of the experiments. After TNF-α-application a systemic inflammation was demonstrated. A significant increase of the biomarkers 1-butanol, 1-pentanol, 3-pentanone, and p-cymol was detected in the exhaled air of animals injected with TNF-α when compared to the profile of exhaled air of non-treated rats. In a first pilot experiment, these four biomarkers were also found to be present in a patient who underwent isolated limb perfusion with TNF-α. Based on these results, the present proof-of-principle study showed that breath analysis using IMS may be eligible for the detection of systemic inflammation. In addition, the present study demonstrated that the application of this method may not only be limited to an animal model but may also be promising for use in human patients

Exhaled Volatile Organic Compounds during Inflammation Induced by TNF-α in Ventilated Rats

Systemic inflammation alters the composition of exhaled breath, possibly helping clinicians diagnose conditions such as sepsis. We therefore evaluated changes in exhaled breath of rats given tumor necrosis factor-alpha (TNF-α). Thirty male Sprague-Dawley rats were randomly assigned to three groups (n = 10 each) with intravenous injections of normal saline (control), 200 µg·kg−1 bodyweight TNF-α (TNF-α-200), or 600 µg·kg−1 bodyweight TNF-α (TNF-α-600), and were observed for 24 h or until death. Animals were ventilated with highly-purified synthetic air to analyze exhaled air by multicapillary column–ion mobility spectrometry. Volatile organic compounds (VOCs) were identified from a database. We recorded blood pressure and cardiac output, along with cytokine plasma concentrations. Control rats survived the 24 h observation period, whereas mean survival time decreased to 22 h for TNF-α-200 and 23 h for TNF-α-600 rats. Mean arterial pressure decreased in TNF-α groups, whereas IL-6 increased, consistent with mild to moderate inflammation. Hundreds of VOCs were detected in exhalome. P-cymol increased by a factor-of-two 4 h after injection of TNF-α-600 compared to the control and TNF-α-200. We found that 1-butanol and 1-pentanol increased in both TNF-α groups after 20 h compared to the control. As breath analysis distinguishes between two doses of TNF-α and none, we conclude that it might help clinicians identify systemic inflammatio