CC BY
18CHEMICAL SCIENCES
ОЦЕНКА ЗАПАХОВ КАК МЕТОД НЕИНВАЗИНОЙ ДИАГНОСТИКИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Раимкулова Ч.А.
ассистент кафедры медицинской химии, Самаркандский медицинский государственный институт,
г.Самарканд, Узбекистан Аронбаев С.Д. доктор химических наук, профессор, Самаркандский государственный университет, г. Самарканд, Узбекистан, Аронбаев Д.М. кандидат химических наук, доцент, Самаркандский государственный университет, г. Самарканд, Узбекистан
ASSESSMENT OF ODORS AS A METHOD OF NONINVASIVE DIAGNOSIS OF THE PHYSIOLOGICAL STATE OF A PERSON
Raimkulova Ch.,
Assistant of the Department of Medical Chemistry, Samarkand State Medical Institute, Samarkand, Uzbekistan Aronbaev S.,
Doctor of Chemical Sciences, Professor, Samarkand State University, Samarkand, Uzbekistan, Aronbayev D.
Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Samarkand State University, Samarkand, Uzbekistan
АННОТАЦИЯ
В статье представлен обзор современных достижений и тенденций развития методов неинвазивной диагностики функционального состояния организма человека по запахам выдыхаемого воздуха и выделений (эманаций) с кожи человека с применением инструментального анализа.
ABSTRACT
The article presents an overview of modern achievements and trends in the development of methods of noninvasive diagnostics of the functional state of the human body by the odors of exhaled air and secretions (emanations) from human skin using instrumental analysis.
Ключевые слова: Неинвазивная диагностика, бмомаркеры, запахи, выдыхаемый воздух, выделения с кожи, инструментальные методы анализа.
Keywords: noninvasive diagnostics, biomarkers, odors, exhaled air, skin secretions, instrumental methods of analysis.
Биомониторинг, основанный на химическом анализе тканей, биологических жидкостей, выдыхаемого воздуха и прочих выделений организма, предпринимается для получения данных о взаимодействии химических веществ с биологическими системами [1 ] .
Определение количественных показателей таких веществ, которые потенциально могут выполнять функцию биомаркеров, имеет важное значение для оценки риска, так как позволяет получать данные о связи этих веществ с функциональным состоянием организма.
Однако, прежде чем биомаркеры можно будет использовать в этих целях, необходимо четко установить их связь с биологической системой [ 2 ].
Биомаркеры используют при скрининге и регулярном мониторинге, и их можно определять и применять как на индивидуальном, так и на попу-ляционном уровне (в группе населения). Группы риска можно выявлять по отклонению от нормальных средних значений биомаркеров экспозиции или эффектов, а индивидуальные колебания их значений учитывать статистически. При этом возрастает роль неинвазивных методов отбора проб.
К обычным пробам, подлежащим неинвазив-ному анализу, относятся пробы выдыхаемого воздуха, слюны, потовые и жировые выделения кожи, мочи, мокроты, ногтей с пальцев рук, волос, кала и зубной ткани (выпавшие зубы) [3].
В последнее время компоненты выдыхаемого воздуха или его конденсат, запахи кожи и мочи привлекают особое внимание исследователей как диагностические биомаркеры ряда инфекционных заболеваний [4], метаболомики [5] и других заболеваний, таких как рак [6-8], заболевания легких [9], сердечно-сосудистые заболевания [10], желудочно-кишечные заболевания и заболевания печени [11].
Различные человеческие запахи и эманации являются характерными для многих заболеваний и функциональных расстройств организма.
Сегодня во многих университетах и клиниках мира (Германия, Италия, Франция, Голландия, США, Израиль, Япония) ведутся исследования по выявлению специфических биомаркеров в выдыхаемом воздухе и выделениях (эманации) человека различных заболеваний и отработка методик неин-вазивного отбора, анализа и системы обработки результатов [12].
Результатом этих исследований стала, прежде всего, обширная база маркеров, присутствующих в выдыхаемом воздухе и эманацииях при различных заболеваниях. Кроме того, появился целый арсенал инструментов для регистрации определённых биомаркеров, а также клинически апробированные методы диагностики ряда заболеваний по таким биомаркерам [13].
Но даже это не свидетельствует о том, что проблема неинвазивной диагностики по специфическим биомаркерам полностью исчерпана. Главная причина заключается в чрезвычайно низких концентрациях веществ, которые могут являться биомаркерами, порой достигающих всего десятых, сотых долей ppb, которые весьма трудно определить на фоне других макрокомпонентов как в выдохе, так и других биологических образцах. При этом возраст, пол, пищевые привычки, физические нагрузки и беременность, в случае женщин, способны оказывать влияние на компонентный состав отобранного образца. Кроме того, не существует единых стандартов для методов неинвазивного отбора материала для анализа.
Цель настоящей работы - обобщить колоссальный теоретический и практический материал, накопленный в процессе разработки неинвазивных методов диагностики.
Как уже отмечалось, для определения некоторых веществ тукув к настоящему времени разработаны специальные методы, опирающиеся на огромный потенциал и возможности инструментальных методов анализа [14].
Биогенные запахи могут быть вызваны эндогенными и экзогенными, и содержать как вещества неорганической, так и органической природы, например, летучие органические соединения (ЛОС), являющиеся эманацией (выделением) организма человека. Их основные источники включают дыхание, слюну, пот, кожу, мочу, кал и вагинальные выделения. Запахи тела человека часто действуют как обонятельные сигналы, которые передают информацию о метаболическом или психологическом статусе человека [15].
В своих предшествующих работах мы уже сообщали о возможностях неинвазивной диагностики по выдыхаемому воздуху [16,17]. Поэтому в данной статье будут представлены аналитические возможности диагностики по летучим органическим соединениям, являющихся выделениями кожи пациентов с применением различных вариантов прямой масс-спектрометрии и масс-спектрометрии в сочетании с газовой хроматографией.
Для этих целей образцы эманации кожи обычно отбираются из областей подмышек, рук и ног, а ЛОС анализируются методами HS-SPME / GC-MS [94].
Конфигурации некоторых типичных систем отбора проб и предварительного концентрирования, использующих твердофазную экстракцию, показаны на рисунке 1. [Цитируется по 3].
В первом подходе для непосредственного отбора проб методом твердофазной экстракции ^РМЕ) используется герметичный стеклянный сосуд или воронка, в которых помещается сорбцион-ный волокнистый материал, располагаемый непосредственно над участком излучения кожи (рис. 1А). Во втором подходе стеклянный сосуд для отбора проб используется с применением твердофазной экстракции ^РМЕ) кожных выделений из подмышек (рис. 1В). SPME волокна размещаются непосредственно в потоке газа этой системы.
Пакет для отбора проб, изготовленный из по-лиэтилентерефталата также позволяет осуществить прямую масс-спектроскопию (рис. 1С).
В третьем подходе устройства для нанесения кожных пластырей из мембран PDMS, ватных дисков, марлевых прокладок, хлопковой марли (или полиэстера) и других текстильных изделий находятся в непосредственном контакте с кожей (рис. 1D).
Эти методы наложения кожного пластыря можно сочетать с экстракцией растворителем, HS-SPME и термодесорбцией (TD) [18,19]. В работе [20] проводится сравнение некоторых текстильных материлов (хлопок, вискоза, полдиэстер, шерсть), используемых для контактного и бесконтактного сбора запахов человека. Отбор проб при контакте рук с хлопком показал наибольшее количество ЛОС и наибольшее количество запаха.
При следующем подходе жидкость, отобранная в стеклянной чашке, экстрагируется растворителем (рис. 1Е). Экстракция сорбентом может быть использована для экстракции более полярных и нелетучих соединений. Кроме того, образцы можно легко получить, протерев кожу субъекта органическим растворителем, таким как ацетон или этанол. Однако следует соблюдать осторожность во время сбора образцов, чтобы избежать загрязнения окружающим воздухом или косметикой. Сорбентами, наиболее часто используемыми при отборе проб и концентрировании выбросов кожи SPME, являются 75 мкм CAR / PDMS, 50/30 мкм DVB / CAR / PDMS и 85 мкм полиакрилат. Напротив, летучие соединения в кожной ткани или культуре могут также собираться с помощью сорбирующих пробирок
(Тепах ТА, СагЬохеп 569 или СагЬохеп 1000) в сочетании с TD [21], техникой кожного пластыря [22] и HS-SPME [23].
Таким образом, только в сочетании с приемами предварительного концентрирования летучих компонентов эманаций человека становится возможным определение биомаркеров на уровне десятых или сотых долей ppb для прецизионного анализа с использованием довольно дорогостоящего оборудования. А именно это и является одной из главных сдерживающих причин проведения массового неинвазивного скрининга населения для своевременного выявления развивающейся патологии [24].
Заключение
Ранняя диагностика заболеваний имеет решающее значение для здоровья человека и успешной терапии. Поскольку запахи и выделения человека могут нести важную информацию о его здоровье, химический анализ этих биосубстратов позволяет выявить потенциальные биомаркеры при скрининге и мониторинге заболеваний. Любые изменения в гомеостатическом балансе способны изменить компоненты выдоха и выделений из кожи и могут быть индикаторными биомаркерами для диагностики различных заболеваний и нарушений обмена веществ. Выявление таких биомаркеров и определение их роли способствует ранней диагностике и успешному лечению.
Идеальный метод отбора проб должен быть простым, неинвазивным, поддаваться транспортировке, экономичным в подготовке образца к анализу, не содержать растворители и другие экстра-
генты. При этом неинвазивный анализ летучих органических соединений, специфичных для заболевания, в эманации человека может привести к лучшему пониманию патологических механизмов, вызывающих конкретное заболевание.
Хотя для неинвазивного анализа летучих органических соединений в выдыхаемом воздухе и эманации уже разработаны различные аналитические методы, эти методы еще не получили широкого распространения из-за их многочисленных технологических ограничений при отборе проб, концентрировании и проведении инструментального анализа.
Для решения этих проблем существует острая необходимость в разработке практичных и простых устройств для отбора проб и высокоэффективных методов их концентрирования, например, твердофазной микроэкстракции, сфера применения которой, в ближайшем будущем расширится благодаря разработке smart-материалов для микроэкстракции и лучшей интеграции высокопроизводительного отбора и подготовки проб к инструментальному анализу.
Литература
1. Биомаркеры и оценка риска. Концепция и принципы. - Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1996.
2. Rosa A. Sola Martinez, Jose M. Pastor Hernandez, et.al. Exhaled volatile organic compounds analysis in clinical pediatrics: a systematic review. Pe-diatric Research 89, 1352-1363 (2021).
3. Hiroyuki Kataoka, Keita Saito, Hisato Kato, Kazufumi Masuda. Noninvasive analysis of volatile bi-omarkers in human emanations for health and early disease diagnosis. Bioanalysis 5(11), 1443-1459(2013).
4. Shirasu M, Touhara K. The scent of disease: volatile organic compounds of the human body related to disease and disorder. J. Biochem. 150(3), 257-266 (2011).
5. Turner MA, Guallar-Hoyas C, Kent AL, Wilson ID, Thomas CLP. Comparison of metabolomics profiles obtained using chemical ionization and electron ionization MS in exhaled breath. Bioanalysis 3(24), 2731-2738 (2011).
6. Luque de Castro MD, Fernandez-Peralbo MA. Analytical methods based on exhaled breath for early detection of lung cancer. Trends Anal. Chem. 38, 1320 (2012).
7. Buszewski B, Rudnicka J, Ligor T, Walczak M, Jezierski T, Amann A. Analytical and unconventional methods of cancer detection using odor. Trends Anal. Chem. 38, 1-12 (2012).
8. Kelly E. van Keulen, Maud E. Jansen, Ruud W.M. Schrauwen, et.al. Volatile organic compounds in breath can serve as a non- invasive diagnostic bi-omarker for the detection of advanced adenomas and colorectal cancer. AP&T Alimentary Pharmacology & Therapeutics .51(3), 334-346 (2020)
9. van de Kant KD, van der Sande LJ, Jobsis Q, van Schayck OC, Dompeling E. Clinical use of exhaled volatile organic compounds in pulmonary diseases: a systematic review. Respir. Res. 13, 117 (2012).
10. Cikach F.S. Jr., Dweik RA. Cardiovascular bi-omarkers in exhaled breath. Prog. Cardiovasc. Dis. 55(1), 34-43 (2012).
11. 14 Probert CS, Ahmed I, Khalid T, Johnson E, Smith S, Ratcliffe N. Volatile organic compounds as diagnostic biomarkers in gastrointestinal and liver diseases. J. Gastrointestin. Liver Dis. 18(3), 337-343 (2009).
12. Turner C. Techniques and issues in breath and clinical sample headspace analysis for disease diagnosis. Bioanalysis, 8(7), 677-690 (2016).
13. Сайко О.В., Мошкин М.П., Балдин М.Н., и др. PROMEDIA - база данных химических соединений, потенциальных биомаркеров заболеваний, имеющих значение для неинвазивной диагностики. Математическая биология и биоинформатика. 6(2), 250-263 (2011). URL: http://www. mat-bio.org/2011/Saik2011
14. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Собакинская Е.Л., Черняева М.Б. Анализ выдыхаемого воздуха: физические методы, приборы и медицинская диагностика // Успехи физических наук. 184(7),739-758 (2014).
15. Pandey SK, Kim K-H. Human body-odor components and their determination. Trends Anal. Chem. 30(5), 784-796 (2011).
16. Раимкулова Ч. А., Аронбаев С. Д., Аронбаев Д. М. Анализ выдыхаемого воздуха как метод неинвазивной диагностики. International scientific journal «Global science and innovations 2020: Central Asia» Nur-Sultan, Kazakhstan, 56-58 (2020).
17. Raimkulova C.A., Aronbaev S.D., Vasina S.M. AronbaevD.M.. Exhaled air as an object of studying the functional state of the organism. The Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. 1-2, 47-51 (2020).
18. Gallagher M., Wysocki C.J., Leyden J.J., Spielman A.I., Sun X., Preti G. Analyses of volatile organic compounds from human skin. Br. J. Dermatol. 159(4), 780-791 (2008).
19. Thomas A.N., Riazanskaia S., Cheung W. et al. Novel noninvasive identification of biomarkers by analytical profiling of chronic wounds using volatile organic compounds. Wound Repair Regen. 18(4), 391400 (2010).
20. Prada PA, Curran AM, Furton KG. The evaluation of human hand odor volatiles on various textiles: a comparison between contact and noncontact sampling methods. J. Forensic Sci. 56(4), 866-881 (2011).
21. Filipiak W., Sponring A., Mikoviny T. et al.Release of volatile organic compounds (VOCs) from the lung cancer cell line CALU-1 in vitro. Cancer Cell Int. 8, 17 (2008).
22. Riazanskaia S., Blackburn G., Harker M., Taylor D., Thomas C.L. The analytical utility of thermally desorbed polydimethylsilicone membranes for in-vivo sampling of volatile organic compounds in and on human skin. Analyst 133(8), 1020-1027 (2008).
23. Martínez-Lozano P., de la Mora J.F. On-line detection of human skin vapors. J. Am. Soc. MassSpectrom. 20(6), 1060-1063 (2009).
24. Раимкулова Ч.А., Аронбаев С.Д., Аронбаев Д.М. Биомаркеры и оценка рисков. Универсум: химия и биология. №1 (91), 2022 - (в печати).
