Mehr als 10 % aller Geburten weltweit sind Frühgeburten. Je früher die Kinder geboren werden, desto unreifer sind ihre Organsysteme und –funktionen, sowie das Immunsystem. Somit sind Frühgeborene besonders anfällig für akute und chronische Erkrankungen, sowie für Infektionen. Des Weiteren ist hervorzuheben, dass sie sehr sensibel auf Stress reagieren. Zur Diagnostik müssen häufig invasive Maßnahmen wie Blutentnahmen durchgeführt werden. Bei Frühgeborenen können diese jedoch Stress und Anämien auslösen und sich negativ auf die Kurz- und Langzeitentwicklung auswirken. Um diese negativen Folgen zukünftig zu minimieren, ist die Entwicklung nicht-invasiver diagnostischer Methoden erstrebenswert. Dabei birgt die Analyse flüchtiger organischer Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOCs) ein großes Potential. Sie entstehen im Körper bei physiologischen und pathophysiologischen Prozessen und werden über Haut, Urin, Stuhl und Ausatemluft an die Umwelt abgegeben. Mithilfe elektronischer Nasen, zu welchen das multikapillarsäulengekoppelte Ionenmobilitätsspektrometer (MCC-IMS) und die Cyranose® 320 gezählt werden, können VOCs bereits in extrem geringen Konzentrationen (pg/l) detektiert werden. Dabei ist die Cyranose® 320 schnell und kompakt, sie kann jedoch nur bestimmte Muster, die Smellprints genannt werden, erkennen. Dem gegenüber steht das MCC-IMS. Es ist im Vergleich zur handlichen Cyranose® 320 schwerer und größer, aber ebenfalls mobil auf Station und am Patientenbett einsetzbar. Ein weiterer Vorteil dieses Analyseverfahrens ist die Möglichkeit einer Zuordnung bestimmter biochemischer Substanzen aus den vermessenen Proben.
Die vorliegende Arbeit hat sich mit der Frage beschäftigt, ob mittels multikapillarsäulengekoppelter Ionenmobilitätsspektrometrie (MCC-IMS) und Cyranose® 320 eine Umgebungsluft-unabhängige Methode zur Messung von VOCs an Bioproben von Frühgeborenen möglich ist. Nach Genehmigung der Ethikkommission des Saarlandes (HOM: 276/17) wurden Urin- und Stuhlproben Frühgeborener gesammelt und mittels MCC-IMS und Cyranose® 320 analysiert. Einschlusskriterien waren neben der Betreuung auf den neonatologischen Stationen des Universitätsklinikums des Saarlandes ein Geburtsgewicht < 2000 g oder ein Gestationsalter < 32 Wochen, sowie das schriftliche Einverständnis der Eltern. Die statistische Auswertung der Daten des MCC-IMS erfolgte unter Verwendung des Mann-Whitney-U-Tests und Bonferroni-Korrektur, die Auswertung der Cyranose® 320 durch eine lineare Diskriminanzanalyse zur Ermittlung der Mahalanobis- Distanz (MD) und des Kreuzvalidierungswertes (CVV).
Es wurden VOCs-Profile von 133 Stuhl- und Urinproben von insgesamt 12 Frühgeborenen untersucht. Zunächst erfolgte die stufenweise Etablierung beider Methoden. Es gelang, die Messmethoden zu optimieren, sodass Stuhl und Urin als Probematerial verwendet werden konnten. Zudem wurden mit systematischen Kontrollexperimenten optimale Lagerungsbedingungen für die Bioproben entwickelt. Mithilfe des MCC-IMS konnte demonstriert werden, dass der Inhalt der Windel (Urin/ Stuhl) anhand des VOCs-Musters klassifiziert werden kann. Des Weiteren gelang es, Unterschiede zwischen Kindern, welchen ein bestimmtes Medikament verabreicht wurde und Kindern, welchen das entsprechende Medikament nicht verabreicht wurde, zu detektieren. Sogar eine Unterscheidung von Zwillingen und Vierlingen anhand ihres mittels MCC-IMS bestimmten VOCs-Profils war möglich. Vielversprechend war auch, dass eine Unterscheidung zwischen einem gesunden Kind und einem an Sepsis erkrankten Kind vorgenommen werden konnte. Die mittels MCC-IMS-Analyse identifizierten Peaks wurden mit einer Substanzdatenbank abgeglichen. Dabei konnten verschiedene Peaks bestimmten Substanzen (z.B. 2-Methylthio-Ethanol, 2-Pentyl-Furan, 2-Hexanon und Benzonitril) zugeordnet werden. In der Literatur findet sich für 2-Methylthio-Ethanol, 2-Pentyl-Furan und Benzonitril eine Assoziation mit Bakterienmetaboliten. Ein Auftreten der Substanzen 2-Hexanon und Butanal wurde mit septischem Schock/ Endotoxinschock in Zusammenhang gebracht. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich die Cyranose® 320 als Screening-Instrument für die Identifikation von VOCs-Profilen eignet, da anhand der „Smellprints“ unterschiedliche Exkremente und auch unterschiedliche Individuen voneinander unterschieden werden konnten.
In der vorliegenden Arbeit konnten Profile volatiler organischer Substanzen von Bioproben Frühgeborener zuverlässig und Umgebungsluft-unabhängig mittels MCC-IMS und Cyranose® 320 erhoben werden. Die Ergebnisse stellen einen innovativen Ansatz zur nicht-invasiven Diagnostik in der Neonatologie dar und könnten sich zur Suche nach volatilen Biomarkern in der Neonatologie eignen.Throughout the world, more than one in ten infants is born prematurely. As the children are born earlier, their organ systems, functions and the immune system are less mature. Therefore, premature infants are particularly susceptible to acute and chronic diseases and infections. Furthermore, it should be emphasized that these children are very sensitive to stress. For diagnostic purposes, invasive measures such as blood sampling are often performed. In premature infants, however, these can trigger stress and anemia and have a negative effect on short-term and long-term development. In order to minimize these negative consequences in the future, the development of non-invasive diagnostic methods is desirable. In this context, the analysis of volatile organic compounds (VOCs) possesses great potential. VOCs are produced in the body during physiological and pathophysiological processes and are released into the environment via skin, urine, stool and exhaled air. Using electronic noses, including the ion mobility spectrometer coupled to multi-capillary columns (MCC-IMS) and Cyranose® 320, VOCs can be detected even in extremely low concentrations (pg/l). On the one hand, Cyranose® 320 is fast and compact, but can only detect certain patterns called smell prints. On the other hand, the MCC-IMS is rather unwieldy and heavy compared to the Cyranose® 320. However, with this analytical method it is possible to classify certain substances out of the samples.
The present dissertation deals with the question of whether an ambient air-independent method for measuring VOCs on biosamples of premature babies is possible using ion mobility spectrometry coupled to multi-capillary columns (MCC-IMS) and Cyranose® 320. After approval of the Ethics Committees of the University Hospitals Homburg and Marburg (HOM: 276/17; MR: 05/17), urine and stool samples of premature infants were collected and analyzed using MCC-IMS and Cyranose® 320. Besides the treatment on the neonatological wards of the Saarland University Hospital, inclusion criteria were a birth weight < 2000 g or a gestational age < 32 weeks as well as written consent of the parents which was also obtained. The statistical evaluation of the MCC-IMS data was performed using the Mann-Whitney-U test and Bonferroni correction, the evaluation of Cyranose® 320 was based on a linear discriminant analysis to determine the Mahalanobis distance (MD) and the cross-validation value (CVV).
VOCs profiles of 133 stool and urine samples from a total of 12 preterm infants were examined. First, the two methods were gradually established. It was possible to optimize the measurement methods to allow stool and urine to be used as sample material. In addition, we conducted systematic control experiments to find optimal storage conditions for the biosamples. We were able to demonstrate that the contents of the diaper (urine / stool) can be classified using the VOCs pattern via MCC-IMS. It was also possible to detect differences between children who received a certain medication and children who did not receive the corresponding medication. Moreover, a distinction could be made between a healthy child and a child suffering from sepsis. The peaks identified by MCC-IMS analysis were compared with a substance database. Four peaks could be assigned to specific substances (2-methylthioethanole, 2-pentyl furane, 2-hexanone and benzonitrile). In the literature, 2-methylthioethanole, 2-pentyl furane and benzonitrile are associated with bacterial metabolites. The presence of the substances 2-hexanone and butanal was associated with septic shock/endotoxic shock. Furthermore, we could demonstrate that Cyranose® 320 can be used as a screening tool for the identification of VOCs profiles, as different excrements and even different individuals could be distinguished from each other based on the “smellprints".
In the project, profiles of volatile organic substances from biosamples of premature infants could be reliably and ambient air-independently determined by MCC-IMS and Cyranose® 320. The results represent an innovative approach to non-invasive diagnostics in neonatology and may be particularly useful in the search for volatile biomarkers in neonatology
