CC BY
369
status with chronic diastolic heart failure in patients of different age groups. Serdechnaya nedostatochnost'. 2010; 3: 72—5 (in Russian).
20. Conraads V.M., Bosmans J.M. Chronicheart failure: an example of a systemic chronic inflammatory disease resulting in cachexia. Int. J. Cardiol. 2002; 85 (1): 33—49.
21. Shakhnovich R.M., Basinkevich A.B. Markers of inflammation and acute coronary syndrome Kardiologiya SNG. 2005; 3: 58—65 (in Russian) .
22 . Olivera G.H. Novel serologic markers of cardiovascular risk . Curr.
Atheroscler. Rep. 2005; 7: 148—54. 23. Kovaleva O.N. Cytokine aggression correction in heart failure: theoretical background and practical realities. Serdechnaya nedostatochnost'. 2011; 2: 93—100 (in Russian).
24 . Kozhanova T.A. Features of the cytokine profile in hypertensive
patients with manifestations of cardiac remodeling. Tavricheskiy mediko-biologicheskiy vestnik. 2010; 13 (1): 102—5 (in Russian).
25 . Myhajlychenko D.S. Role of cytokines in the development of
chronic heart failure Dniprovs'kyj medychnyj chasopys. 2009; 1 (2): 21—2 (in Russian).
26. Ozova E.M. Inflammation and chronic heart failure. Kardiologiya. 2007; 1: 12—4 (in Russian).
27. Goncharova O.S. Functional state of cytokines in patients with chronic heart failure. Zaporozh'e; 2005 (in Russian).
28. Berezikova E.N., Pustovalova M.G. The cytokine profile in patients with chronic heart failure. Patologiya krovoobrashcheniya i kardiokhirurgiya. 2012; 3: 57—60 (in Russian).
29. Belenkov Yu.N. Endothelial dysfunction in heart failure: the possibility of angiotensin-converting enzyme inhibitor therapy. Kardiologiya. 2001; 5: 100—4 (in Russian).
30. Woodward M., Rumley A. Associations of blood rheology and interleukin-6 with cardiovascular risk factors and prevalent cardiovascular disease. Br. J. Haematol. 2008, 104: 246—7.
31. Kuller L.H., Tracy R.P. Relation of C-reactive protein and coronary heart disease in the MRFIT nested case-control study. Multiple Risk
Factor Intervention Trial. Am. J. Epidemiol. 2008; 144: 537—47.
32. Cesari M., Penninx B.W. Inflammatory markers and onset of cardiovascular events: results from the Health ABC study. Circulation. 2008; 108: 2317—22.
33. Folsom A.R., Chambless L.E. An assessment of incremental coronary risk prediction using C-reactive protein and other novel risk markers: the atherosclerosis risk in communities study. Arch . Intern . Med. 2008; 166: 1368—73.
34. Koenig W., Khuseyinova N. Increased concentrations of C-reactive protein and IL-6 but not IL-18 are independently associated with incident coronary events in middle-aged men and women: results from the MONICA/KORA Augsburg case-cohort study, 1984— 2002. Arterioscler. Thromb. Vasc Biol. 2006; 26: 2745—51.
35. Langenberg C., Bergstrom J. Cardiovascular death and the metabolic syndrome: role of adiposity-signaling hormones and inflammatory markers. Diabet. Care. 2009; 29: 1363—9.
36. Larsen A.I., Lindal S. Effect of exercise training on interleukin-6, tumour necrosis factor alpha and functional capacity in heart failure Cardiol. Res. Pract. 2002; 83 (1): 25—32.
37. Scheithoff S., Zittermann A., Tenderich G. Vitamin D supplementation improves cytokine profiles in patients with congestive heart failure: a double-blind, randomized, placebo-controlled trial. American Society for Clinical Nutrition; 2006.
38. Tousoulis D., Antoniades C. Effects of atorvastatin on reactive hyperemia and inflammatory process in patients with congestive heart failure. Circulation. 2007; 114: 1448—54.
39. Parissis J., Adamopoulos S. Effects of levosimendan on circulating pro-inflammatory cytokines and soluble apoptosis mediators in patients with decompensated advanced heartfailure. Am. J. Cardiol. 2004; 93 (10): 1309—12.
40. Gullestad L., Aass H. Immunomodulating therapy with intravenous immunoglobul in patients with chronic heart failure. Circulation. 2001; 103 (2): 220—5.
Поступила 26.02.13
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2013 Удк 616-07:616.24-008.7
перспективы диагностики различных заболеваний по составу выдыхаемого воздуха
Ф.Ю. Копылов1, А.Л. Сыркин1, П.Ш. Чомахидзе1, A.A. Быкова1, Ю.р. Шалтаева2, В.В. Беляков2, В.С. Першенков2, н.н. Самотаев2, А.В. Головин2, В.К. Васильев2, Е.К. Малкин2, E.A. Громов2, и.А. иванов2, д.Ю. Липатов2, д.Ю. Яковлев2
1ФГБОУ ВПО Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Минздрава России; 2ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва
Несмотря на совершенствование методов диагностики различных заболеваний, в современной медицине сохраняется потребность в быстрых и недорогих скрининговых технологиях. Одним из перспективных направлений в этой области является анализ выдыхаемого воздуха. Показано, что выдох человека содержит тысячи летучих органических веществ. В связи с тем что одной из функций легких является выделение, состав выдыхаемого воздуха различен в норме и при патологии. Мы выделили лишь некоторые вещества, которые наиболее вероятно могут быть биомаркерами при сердечно-сосудистой патологии (оксид азота, окись углерода, пентан, изопрен и ацетон). Существуют различные способы детектирования веществ в выдыхаемом воздухе: газовая спектрография, масс-спектрометрия и т. д. Однако в качестве скрининга наиболее целесообразно рассматривать спектрометрию ионной подвижности, учитывая скорость получения результата, малые габариты прибора и высокую чувствительность метода даже к следовым количествам веществ. Также рассмотрено современное состояние проблемы диагностики рака легких с помощью анализа выдыхаемого воздуха.
Ключевые слова: ранняя диагностика; летучие органические соединения; спектрометрия ионной подвижности, выдыхаемый воздух; сердечно-сосудистая патология; ацетон; пентан; оксид азота; окись углерода; изопрен; сердечная недостаточность; рак легких
PATHOLOGY DIAGNOSTICS BY HUMAN BREATH ANALYZE
Ph.Yu. Kopylov1, A.L. syrkin1, P.sh. Chomakhidze1, A.A. Bykova1, Yu.R. shaltaeva2, V.V. Belyakov2, V.s. Pershenkov2, N.N. samotaev2, A.V. Golovin2, V.K. Vasilyev2, E.K. Malkin2, E.A. Gromov2, IA. Ivanov2, D.Yu. Lipatov2, D.Yu. Yakovlev2
4.M. Sechenov First Moscow State Medical University; ^National Research Nuclear University «MIFI», Moscow, Russia
Modern medicine experiences deficit of inexpensive rapid screening technologies despite progress in the development of diagnostic methods for various diseases. A promising approach is the analysis of exhaled air known to contain thousands
of volatile organic substances whose composition differs considerably in health and disease. We isolated certain compounds that may be used as biomarkers of cardiovascular pathology (nitric oxide, carbon monoxide, pentane, isoprene, acetone). There is a variety of methods for the detection of substances in the exhaled air, such as gas spectrography, mass spectrometry, etc. However, ion mobility spectrometry appears the most suitable technique for the purpose of screening studies due to its high speed and sensitivity, small size of the apparatus, and possibility to measure trace amounts of the substances of interest. Possibilities to diagnose lung cancer based on exhaled air composition are considered.
Key words: early diagnostics; volatile organic compounds; ion mobility spectroscopy; exhaled air; cardiovascular pathology; nitric oxide; carbon monoxide; pentane; isoprene; acetone; cardiac insufficiency; lung cancer.
На сегодняшний день, несмотря на совершенствование методов лабораторно-инструментальной диагностики многих заболеваний, актуальным и клинически значимым остается вопрос ранней и в то же время доступной диагностики. В этом вопросе медицина все чаще прибегает к современным достижениям ученых. На протяжении последнего десятилетия разрабатываются системы детекции сверхнизких концентраций широкого класса веществ. Эти технологии на сегодняшний день применяются в сфере безопасности для обнаружения наркотических и взрывчатых средств, в машиностроении для диагностики неисправностей путем выявления продуктов горения технических жидкостей, в пищевой промышленности для контроля качества входящих материалов и оптимизации работы биореакторов и даже в парфюмерной промышленности для дешифровки и последующего синтеза любых запахов.
Мысль о том, что выдыхаемый воздух содержит разные молекулы в норме и при патологии, высказана еще в трудах Гиппократа. Отсутствие водяного пара при выдохе многие тысячелетия было единственным неинвазивным признаком смерти. Кроме того, специфические запахи, исходящие от пациента, веками использовались для диагностики болезней. Даже в настоящее время по запаху нетрудно выявить неконтролируемый сахарный диабет, тяжелые болезни печени и почек, заболевания полости рта.
Можно определенно говорить о том, что при многих заболеваниях дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы, при сахарном диабете, а также при онкологических заболеваниях в выдыхаемом воздухе меняется концентрация многих веществ в зависимости от изменений клеточного метаболизма при патологии. Выдыхаемый воздух содержит тысячи летучих органических соединений (ЛОС), спектр которых зависит от состояния здоровья человека. Через легкие выделяются ЛОС, образующиеся в ходе реакций обмена, происходящих как в легочной ткани, так и во всем организме человека. Так, например, ацетон выделяется в реакциях окисления жиров, аммиак и сероводород — при обмене аминокислот, предельные углеводороды — в ходе перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот. Кроме того, хроническое воспаление и/или окислительный стресс могут привести к выделению уникального профиля ЛОС [1].
Известно, что легкие, помимо респираторной, выполняют метаболическую и выделительную функции. В легких подвергаются ферментативной трансформации такие вещества, как серотонин, ацетилхолин и норадреналин. Легкие обладают мощной ферментной системой, разрушающей брадикинин (80% брадикини-на, введенного в легочный кровоток, инактивируется при однократном прохождении крови через легкие). В эндотелии легочных сосудов синтезируются тром-боксан В2 и простагландины. До 90—95% простаглан-динов Е и Ба инактивируется в легких. На внутренней поверхности легочных капилляров локализуется большое количество ангиотензинпревращающего фермента, который катализирует превращение ангиотензина
I в ангиотензин II. Легкие играют важную роль в регуляции агрегатного состояния крови благодаря своей способности синтезировать факторы свертывающей и противосвертывающей системы крови (тромбопла-стин, факторы VII, VIII, гепарин). Эти данные могут объяснить устойчивое изменение химического «профиля» выдыхаемого воздуха при той или иной болезни, результатом которой в свою очередь является значимое изменение в указанных биохимических системах [1, 2].
Детекторные системы
Принцип работы детекторных систем основан на измерении электропроводности химических сенсоров при их взаимодействии с парами тех или иных летучих веществ. При контакте молекул вещества с сенсором электропроводность чувствительных материалов увеличивается. Каждый сенсор не является селективным по отношению к какой-либо молекуле, однако величина, на которую меняются электропроводность и итоговые показания прибора, должна быть индивидуальна для каждого исследуемого вещества.
Особое внимание следует уделить методикам, позволяющим получать полную информацию о составе примесей в газовой среде, таким как хромато-масс-спектрометрия и спектрометрия ионной подвижности (СИП). Среди отечественных разработок можно выделить прибор — ионно-дрейфовый детектор «Кербер» на основе СИП. Указанный метод основывается на том факте, что ионизованная молекула вещества обладает вполне определенной подвижностью в слабом электрическом поле. Сопоставление с прочими методиками анализа показывает, что СИП позволяет детектировать следовые количества малолетучих веществ без дорогостоящих расходных материалов при достаточно простой для пользователя методологии и высокой пропускной способности.
Сегодня прибор с успехом применяется для выявления взрывчатых и наркотических веществ в системе безопасности. Проводится адаптация прибора для медицинской диагностики, в частности для спектрального анализа общего спектра ЛОС и обнаружения отдельных веществ, представленных ниже.
Маркеры болезни
Выдыхаемый воздух представляет собой смесь азота, кислорода, двуокиси углерода, инертных газов, водяного пара и следов ЛОС. С помощью современных методов исследования можно выделить несколько сотен веществ в образце выдыхаемого воздуха. Некоторые из этих соединений продемонстрировали свою ценность в качестве биомаркеров при различных болезнях.
Окид азота (N0) является одним из наиболее часто используемых биомаркеров. Его повышенный уровень в выдыхаемом воздухе ассоциируется с воспалением в легочной ткани и оксидативным стрессом при различных заболеваниях легких, в том числе при бронхиальной астме и хронической обструктивной болезни легких [3].
При патологических процессах, протекающих на фоне гипоксии или ишемии, активность ]Ч0-синтазного
Ацетил-КоА
i
5-Пирофосфомевалонат
i
Изопентенилпирофосфат —ИЗОПРЕН
i
Геранилпирофосфат
i
Фарнезилпирофосфат
i i i
Убихинон Холестерин Сквален
Этапы биосинтеза холестерина.
механизма, который требует молекулярного кислорода, может снижаться и повышается активность нитритре-дуктазных систем.
Другим хорошо изученным летучим биомаркером является окись углерода (СО). В образцах выдыхаемого воздуха содержится как экзогенный компонент (продукт неполного сгорания углеводородов), так и эндогенный (образуется в организме как побочный продукт метаболизма гемоглобина, миоглобина и других гемсодержащих белков).
Исследования, посвященные изучению содержания СО в выдыхаемом воздухе при заболеваниях легких, неоднозначны. Например, M. Yamaya и соавт. [1] сообщают о достоверной взаимосвязи между концентрацией выдыхаемого СО и некоторыми маркерами функции легких, а также о четкой корреляции между выдыхаемым СО и количеством эозинофилов в мокроте. Другие исследователи не нашли никакой корреляции между выдыхаемым СО и функцией легких [3]. Кроме неоднозначных результатов исследований, использование СО в качестве биомаркера ограничено тем фактом, что уровень выдыхаемого СО значительно зависит от концентрации СО в окружающей среде. Показатель значительно колеблется в зависимости от активного или пассивного курения [4].
Исследования последних лет показывают, что СО не только структурно схож с молекулой NO, но и выполняет сходную биологическую роль. В физиологических концентрациях СО является цитопротектором, обладает антиоксидантным, противовоспалительным действием, уменьшает апоптоз [4]. В экспериментальных работах показано, что СО может вызывать вазоди-латацию, препятствует росту гладкомышечных клеток в стенках сосудов, а также снижает агрегацию тромбоцитов. Известно, что процессы оксидативного стресса и воспалительные цитокины увеличивают экспрессию гем-оксигеназы, что в свою очередь приводит к возрастанию концентрации эндогенного СО. В высоких концентрациях СО теряет свою защитную функцию и способствует ремоделированию сосудистой стенки, уменьшает NO-опосредованную вазодилатацию, активизирует перекисное окисление ЛПНП, а также усиливает гипоксию тканей, связываясь с гемоглобином. В недавнем исследовании S. Cheng и соавт. [5] показали, что повышение содержания СО в выдыхаемом воздухе ассоциировано с увеличением сердечно-сосудистого риска в 1,5 раза.
Пентан — представитель предельных углеводородов, часто выявляемых в выдыхаемом воздухе. Считается, что предельные углеводороды образуются при перекисном окислении ненасыщенных жирных кислот и отражают активность этого процесса. Наиболее изученным в этом классе соединений является пентан.
В окружающем нас воздухе пентан не определяется; таким образом, можно считать, что выдыхаемый пентан имеет эндогенное происхождение. Отмечено, что концентрация пентана увеличивается с возрастом, что отражает повышение активности окислительных процессов и истощение антиоксидантной защиты [6]. Некоторые исследователи [7] показали статистически достоверное повышение уровня пентана у больных с инфарктом миокарда по сравнению с показателями у больных без инфаркта миокарда и здоровых добровольцев (р < 0,001), однако в нескольких последующих исследованиях [8] концентрация пентана у больных с инфарктом миокарда, стабильной стенокардией и в группе контроля не различалась. Исходя из того что пентан является конечным продуктом перекисного окисления липидов, S. Mendis и соавт. [9] попытались оценить взаимосвязь между концентрацией выдыхаемого пентана и уровнем малонового диальдегида (МДА) в крови у больных со стенокардией напряжения, нестабильной стенокардией и здоровых добровольцев. Уровень МДА не различался у больных с нестабильной и стабильной стенокардией, но был достоверно выше, чем в группе контроля (р < 0,005). Концентрация выдыхаемого пентана в группах не различалась. Корреляции между уровнем МДА и концентрацией пентана не обнаружено. В другом исследовании [10], в котором наблюдали за пациентами после трансплантации сердца, уровень выдыхаемого пентана значимо повышался у больных с реакцией отторжения трансплантата. Концентрация выдыхаемого пентана менее 2,43 нмоль/л практически исключала это состояние. В подобном исследовании, включавшем 44 пациентов после трансплантации легких, статистически значимых различий в выдыхаемом воздухе между пациентами с отторжением трансплантата и без него не было [11]. Таким образом, данные о диагностической значимости выдыхаемого пентана неоднозначны.
Помимо пентана, внимание ученых привлекло вещество, наиболее часто выделяемое вместе с ним, — изопрен. В первых исследованиях отмечалось, что с помощью газовых хроматографов достаточно сложно отличить пентан от изопрена. В дальнейшем интерес научного сообщества сместился с пентана на изопрен. Изопрен — представитель класса ненасыщенных углеводов диенового ряда — является мономером натурального каучука и структурной единицей для множества биологических соединений — терпеноидов. В организме человека он образуется в процессе биосинтеза липидов (см. рисунок). Именно с этим связаны значительная его корреляция с уровнем общего холестерина и липопротеинов низкой плотности [12] в крови, а также снижение его концентрации в выдыхаемом воздухе на фоне терапии статинами [13]. Концентрация выдыхаемого изопрена изменяется при целом ряде состояний.
Во-первых, это болезни сердечно-сосудистой системы. В небольшом исследовании S. Mendis и соавт. [8] показали, что уровень изопрена статистически значимо повышался у больных с инфарктом миокарда по сравнению с показателями у больных со стабильной стенокардией или здоровых добровольцев (р < 0,01). В другом исследовании [14] наблюдали за 24 пациентами во время кардиохирургических вмешательств с использованием аппарата искусственного кровообращения; концентрация изопрена коррелировала с последующим кардиологическим исходом. Кроме того, отмечено, что концентрация изопрена в выдыхаемом воздухе зависит от частоты сердечных сокращений и уровня физической нагрузки [15].
Во-вторых, в ряде исследований выявлялось существенное повышение концентрации выдыхаемого изо-
прена у больных с терминальной почечной недостаточностью, находящихся на программном гемодиализе по 4 ч 3 сеанса в неделю. Концентрация изопрена повышалась сразу после процедуры и сохранялась повышенной в течение нескольких часов после нее [16, 17]. При этом концентрация изопрена у больных, находящихся на перитонеальном диализе, не повышалась [18]. Причины этого, вероятно, заключаются в регуляции метаболического пути биосинтеза липидов, одним из продуктов которого является изопрен. Главной регуля-торной молекулой в этом цикле является мевалоновая кислота, которая в связи с низкой молекулярной массой и хорошей растворимостью, а также высокой концентрацией в плазме у больных с хронической почечной недостаточностью быстро выводится из организма во время гемодиализа, в то время как основной путь выведения изопрена как летучей молекулы с выдыхаемым воздухом. Предполагают, что быстрое выведение мевалоната во время сеанса гемодиализа приводит к ускорению процессов, ингибируемых мевалоновой кислотой. Одним из них является продукция изопрена, что и приводит к повышению его концентрации в выдыхаемом воздухе. С учетом того, что для изопрена показана определенная цитотоксичность и потенциальная канцерогенность [19, 20], были предприняты попытки изменить режим программного гемодиализа для снижения продукции эндогенного изопрена. Для этого пациентов перевели на другой протокол программного гемодиализа по 2 ч 5 сеансов в неделю; несмотря на это, концентрация изопрена в выдыхаемом воздухе оставалась высокой [21].
В исследовании [22] было отмечено, что снижение концентрации выдыхаемого изопрена у больных раком легких связано с иммунной активацией (последняя определялась по уровню неоптерина) [20].
Все это свидетельствует в пользу того, что изопрен можно использовать как биомаркер в целом ряде состояний.
Особое внимание следует уделить анализу концентрации ацетона. Запах прелых яблок у пациентов с де-компенсированным сахарным диабетом описан еще в 1798 г. в классической работе Джона Ролло «Случаи сахарного диабета». В дальнейшем было выяснено, что причиной этого запаха является ацетон. Впоследствии запах ацетона у пациентов с сахарным диабетом ассоциировался с плохим прогнозом. Впервые метод определения ацетона в выдыхаемом воздухе был предложен в 1897 г., однако использование его в рутинной практике было ограничено в связи со множеством факторов, влияющих на концентрацию ацетона, таких как пол, возраст, масса тела, диета, физические упражнения, сопутствующие заболевания [23].
В настоящее время проведено множество исследований клинической значимости выдыхаемого ацетона, в которых была отмечена его достоверная связь с уровнем глюкозы в крови [24—26]. Разрабатываются и изучаются приборы для ранней диагностики сахарного диабета на основе этого метода [27].
Необходимо отметить, что кетоновые тела являются одним из источников энергии для миокарда; в норме около 7% кислорода, потребляемого левым желудочком, расходуется на окисление кетоновых тел [28]. В ряде исследований было отмечено, что в терминальных стадиях сердечной недостаточности может увеличиваться продукция кетоновых тел. Так, в работе J. Lommi и соавт. [29], включавшей 45 пациентов с хронической сердечной недостаточностью (ХСН) и 14 здоровых добровольцев, уровень кетоновых тел (аце-тоацетат и Р-гидроксибутират) был достоверно выше у пациентов с ХСН. Концентрация кетоновых тел коррелировала с фракцией выброса, давлением в легочной
артерии и количеством норэпинефрина. В исследовании 2011 г., [30], включавшем 11 пациентов с тяжелой ХСН и 10 здоровых добровольцев, отмечено достоверное уменьшение потребления кетоновых тел скелетными мышцами у пациентов с ХСН при нормальном метаболизме кетоновых тел в сердечной мышце [20]. Авторы предполагают, что это может быть одной из причин развития миопатии и слабости у пациентов с ХСН.
В 2012 г. опубликовано большое исследование [31], включавшее 235 больных с систолической ХСН (фракция выброса в среднем 24%) и 20 здоровых добровольцев. В группе с ХСН выделили 2 подгруппы: 59 пациентов с декомпенсацией и 30 со стабильным течением ХСН; обе группы были сравнимы по возрасту, полу, исходной терапии. Функциональный класс сердечной недостаточности по NYHA в стабильной группе был I—III, в группе острой декомпенсации ХСН — III— IV. Пациенты с сахарным диабетом были исключены. У всех участников измерялась концентрация ацетона в конденсате выдыхаемого воздуха (BNP). Выявлено достоверное повышение концентрации ацетона у пациентов с ХСН по сравнению с показателями в группе контроля, а также у пациентов с декомпенсацией ХСН по сравнению со стабильными больными. Уровень ацетона коррелировал с функциональным классом сердечной недостаточности. Также выявлена прямая связь между ацетоном и BNP. По диагностической точности метод сопоставим с определением BNP при диагностике ХСН и декомпенсации ХСН (чувствительность 86%, специфичность 84%).
Использование анализа выдыхаемого воздуха в диагностике онкологических заболеваний
Рак легких — наиболее частая причина смерти от онкологических заболеваний в мире. Заболевание может быть курабельно, если диагностировано на локализованной стадии (5-летняя выживаемость 73% для IA стадии). К сожалению, только 15% случаев диагностируется на начальной стадии, таким образом 5-летняя выживаемость у больных раком легких составляет лишь 16%. Диагностика рака легкого основана на визуализирующих методиках. Согласно последним исследованиям [32], скрининг с помощью обзорной рентгенографии органов грудной клетки и цитологического исследования мокроты не влияет на смертность при этом заболевании. Также показано, что ранняя диагностика с помощью компьютерной томографии органов грудной клетки снижает смертность на 20% [33]. Необходимо отметить, что столь частое использование компьютерной томографии ведет к повышению лучевой нагрузки на пациентов с неясным долгосрочным прогнозом. Кроме того, выявляется множество мелких образований и в настоящее время нет достаточно эффективных неинвазивных процедур, с помощью которых можно определить, какие из них доброкачественные, а какие — нет. Таким образом, необходимы новые неин-вазивные методики для выявления пациентов с высоким риском развития рака легких, уменьшения затрат и уменьшения осложнений диагностических процедур. Авторы подчеркивают необходимость дальнейшего исследования антиоксидантных систем, регуляции энергообмена клеток, метаболизма альдегидов и метаболических профилей в выдыхаемом воздухе, присущих раку легких.
В 2008 г. опубликовано продолжение исследования 2005 г., D. Poli и соавт. [34] описали анализы выдыхаемого воздуха у 36 пациентов (у всех стадия I или IIA) через 1 мес и через 3 года после резекции легкого; 21 обследуемый прошел повторное тестирование через 1 мес и 10 — через 3 года. Ученые также проанализировали ЛОС, выделенные из ткани опухоли (у 27 пациен-
тов), сравнив их с ЛОС, полученными из визуально не пораженного участка легкого. Через 1 мес после резекции достоверно изменилась лишь концентрация выдыхаемого изопрена (снизилась), через 3 года снизились концентрации изопрена и бензола, в то время как содержание пентана, толуола и этилбензола повысилось по сравнению с исходным. Концентрации всех ЛОС были повышены по сравнению с таковыми у здоровых добровольцев при первичном измерении и в последующем. Из образцов ткани удалось выделить следующие ароматические углеводы: бензол, толуол, этилбензол, ксилол, стирол и триметилбензол, содержание которых (кроме ксилола) было выше в опухолевой ткани.
В 2009 г. был представлен анализ выдыхаемого воздуха от 220 больных раком легкого и 441 здорового добровольца, проведенный с помощью методики PTR-MS, и у 65 онкологических больных и 31 здорового добровольца, приведенный с помощью GC-MS [35]. В анализ были включены только те ЛОС, концентрация которых была на 15% выше в выдыхаемом воздухе по сравнению с образцами комнатного воздуха. Кроме того, были исключены вещества, которые могли иметь экзогенное происхождение, или каким-либо образом связаны с забором образцов и измерительными приборами, а также обусловлены курением. При PTR-MS выделили бензол, изопрен, ацетон и метанол. Последние 3 у больных раком были в более низких концентрациях, чем у здоровых добровольцев. После GC-MS в анализ включали лишь те ЛОС, которые в образцах от больных раком превышали определенный порог (на 15% выше, чем их содержание в окружающем воздухе) и которые не превышали этот порог в группе контроля. Из 53 веществ были выстроены 4-, 15- и 21-компонентные модели, чувствительность которых составляла 52, 71 и 80% соответственно. Эти результаты не были проверены на независимых когортах; в группе контроля были здоровые добровольцы, а группа больных раком была представлена пациентами с разными стадиями болезни и на разных этапах лечения.
В 2010 г. доложили о результатах GC-MS у 43 больных раком легких и 41 пациента из группы контроля [36]. Гистологически у 24 был плоскоклеточный рак, у 19 — аденокарцинома. У 13 пациентов выявлена I стадия процесса, у 17 — IV стадия; 11 исследуемых получали первичную химиотерапию. В группу контроля входили молодые, здоровые некурящие добровольцы. Выдыхаемый воздух собирали натощак. Авторы определяли уровень различных ЛОС в полученных образцах; обнаружено повышенное содержание 1-бутанола и 3-гидрокси-2-бутанона. Отмечены чувствительность, специфичность и АиС — 95,3, 85,4% и 0,94 для 1-бутанола и 93, 92,7% и 0,964 для 3-гидрокси-2-бутанона. Уровень этих веществ был выше у пациентов с адено-
карциномой и не различался у пациентов с разными стадиями заболевания.
В 2010 г. обнародованы результаты исследования, в котором с помощью SPME-GC разделили 42 ЛОС (углеводороды, кетоны, альдегиды, спирты, нитрилы, амиды, фураны, сульфиды и ароматические соединения) в выдыхаемом воздухе у 31 больного раком легких (у 19 немелкоклеточный рак легких, у 12 мелкоклеточный), 31 курильщика и 31 здорового добровольца [37]. Образцы собирали в газонепроницаемые стеклянные шприцы, используя CO2. Концентрации выдыхаемых ЛОС сравнивали между группами до и после нормализации их концентраций к площади поверхности тела, ETCO2 (концентрация СО2 в конце выдоха) и после вычитания концентрации изучаемых ЛОС во вдохе. В целом 14 из проанализированных веществ различались в двух группах хотя бы по одному из показателей (исходные значения, нормализация по BSA или ETCO2) . Из них 5 различались исходно и при нормализации значений в группе больных раком легких и обеих контрольных группах (диметилсульфид, диметилформаль-дегид, пропаналь, изопропанол, 1-пропанол). И только 2 различались в группе больных раком и контрольных группах исходно, при нормализации значений и после вычитания концентрации этих веществ во вдохе (диметилсульфид и диметилформальдегид). Таким образом, разделение, которое получилось при использовании модели с выдыхаемыми концентрациями ЛОС, исчезло после коррекции на вдыхаемые концентрации. Это исследование проливает свет на важность стандартизации забора проб выдыхаемого воздуха, методики измерения и их анализа.
Заключение
На сегодняшний день известны десятки веществ, концентрация которых в выдыхаемом воздухе теоретически или доказанно коррелирует с наличием и тяжестью различных заболеваний. Несомненно, необходимы дальнейшие исследования для подтверждения диагностического значения выявления летучих органических соединений. Представлены работы, определяющие клиническое значение и перспективность применения детекторных систем в диагностике онкологических заболеваний дыхательной системы. При этом весьма скудны данные о возможности применения методики при заболеваниях сердца во всем многообразии. Ближайшей задачей, которую ставят перед собой авторы настоящей статьи, является изучение диагностических возможностей современного отечественного детектора «Кербер» в выявлении маркеров недостаточности кровообращения, ишемии миокарда, гипертонической болезни. Планируется определить методологию и тактику использования детектора в клинической практике.
Сведения об авторах:
Первый Московский государственный медицинский университет им. и.М. Сеченова Минздрава россии
Кафедра профилактической и неотложной кардиологии ФППОВ
Сыркин Абрам Львович — д-р мед. наук, проф., зав. каф.; дир. клиники кардиологии.
Копылов Филипп Юрьевич — д-р мед. наук, проф. кафедры.
Чомахидзе Петр Шалвович — канд. мед. наук, ассистент кафедры.
Быкова Александра Александровна — аспирант кафедры; e-mail: [email protected]
национальный исследовательский ядерный университет «МиФи», Москва
Кафедра микро- и наноэлектроники
Першенков Вячеслав Сергеевич — д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой; декан факультета «Автоматики и электроники».
Беляков Владимир Васильевич — канд. техн. наук, доцент кафедры.
Самотаев Николай Николаевич — канд. техн. наук, доцент кафедры.
Головин Анатолий Владимирович — канд. техн. наук, науч. сотр. кафедры.
Шалтаева Юлия Ринатовна — аспирант кафедры. е-mail: [email protected]
Васильев Валерий Константинович — инженер кафедры. Громов Евгений Анатольевич — инженер кафедры. Малкин Евгений Константинович — инженер кафедры. Иванов Игорь Александрович — аспирант кафедры. Липатов Дмитрий Юрьевич — аспирант кафедры. Кафедра автоматики Яковлев Дмитрий Юрьевич — студент.
ЛИТЕРАТУРА 1. Yamaya M., Sekizawa K., Ishizuka S., Monma M., Sasaki H.
Exhaled carbon monoxide levels during treatment of acute asthma . Eur. Respir. J. 1999; 13: 757—60. 2 . Mendis S., Sobotka P.A., Leja F.L., Euler D.E. Breath pentane and plasma lipid peroxides in ischemic heart disease. Free Radic. Biol. Med. 1995; 19 (5): 679—84. 3. Montuschi P., Kharitonov S.A., Barnes P.J. Exhaled carbon monoxide and nitric oxide in COPD. Chest. 2001; 120: 496—501.
4 . Horvath I., Mac Nee W., Kelly F.J., Dekhuijzen P.N., Phillips M.,
Döring G. et al. Haemoxygenase-1 induction and exhaled markers of oxidative stress in lung diseases', summary of the ERS Research Seminar in Budapest, Hungary, September, 1999. Eur. Respir. J. 2001; 18: 420—30.
5 . Cheng S., Lyass A., Massaro J.M., O'Connor J.T., Keaney J.F.
Vasan R.S. Exhaled Carbon Monoxide and Risk of Metabolic Syndrome and Cardiovascular Disease. Circulation. 2010; 122 (15): 1470—7.
6. Mendis S., Sobotka P.A., Euler D.A. Pentane and isoprene in expired air from humans: gas-chromatographic analysis in single breath. Clin. Chem. 1994; 40 (8): 1485—8.
7. Weitz Z.W., Birnbaum A.J., Sobotka P.A., Zarling E.J., Skosey J.L. High breath pentane concentrations during acute myocardial infarction. Lancet. 1991; 337 (8747): 933—5.
8. Mendis S., Sobotka P.A., Euler D.E. Expired hydrocarbons in patients with acute myocardial infarction. Free Radic Res. 1995; 23 (2): 117—22.
9. Mendis S., Sobotka P.A., Leja F.L., Euler D.E. Breath pentane and plasma lipid peroxides in ischemic heart disease. Free Radic. Biol. Med. 1995; 19 (5): 679—84.
10. Sobotka P.A., Gupta D.K., Lansky D.M., Costanzo M.R., Zarling E.J. Breath pentane is a marker of acute cardiac allograft rejection. J. Heart Lung Transplant. 1994; 13 (2): 224—9.
11. Studer S.M., Orens J.B., Rosas I., Krishnan J.A., Cope K.A., Yang S. et al. Patterns and significance of exhaled-breath biomarkers in lung transplant recipients with acute allograft rejection. J. Heart Lung Transplant. 2001; 20 (11): 1158—66.
12. Karl T., Prazeller P., Mayr D., Jordan A., Rieder J., Fall R., Lindinger W. Human breath isoprene and its relation to blood cholesterol levels: new measurements and modeling. J. Appl. Physiol. 2001; 91 (2): 762—70.
13. Stone B.G., Besse T.J., Duane W.C., Evans C.D., DeMaster E.G. Effect of regulating cholesterol biosynthesis on breath isoprene excretion in men. Lipids. 1993; 28 (8): 705—8.
14. Pabst F., Miekisch W., Fuchs P., Kischkel S., Schubert J.K. Monitoring of oxidative and metabolic stress during cardiac surgery by means of breath biomarkers: an observational study. J. Cardiothorac. Surg. 2007; 2: 37.
15. Karl T., Prazeller P., Mayr D., Jordan A., Rieder J., Fall R., Lindinger W. Human breath isoprene and its relation to blood cholesterol levels: new measurements and modeling. J. Appl. Physiol. 2001; 91 (2): 762—70.
16. Trovarelli G., Brunori F., De Medio G.E., Timio M., Lippi G., Pelli M.A., Capodicasa E. Onset, time course, and persistence of increased haemodialysis-induced breath isoprene emission . Nephron 2001; 88 (1): 44—7.
17. Capodicasa E., Trovarelli G., De Medio G.E., Pelli M.A., Lippi G., Verdura C., Timio M. Volatile alkanes and increased concentrations of isoprene in exhaled air during hemodialysis. Nephron. 1999; 82 (4): 331—7.
18. Capodicasa E., Trovarelli G., Brunori F., Vecchi L., Carobi C.,
De M. et al . Lack of isoprene overproduction during peritoneal dialysis. Perit. Dial. Int. 2002; 22 (1): 48—52.
19. National Toxicology Program; Isoprene. Rep. Carcinog. 2011; 12: 247—50.
20. Fabiani R., Rosignoli P., De Bartolomeo A., Fuccelli R., Morozzi G. DNA-damaging ability of isoprene and isoprene mono-epoxide (EPOX I) in human cells evaluated with the comet assay. Mutat. Res. 2007; 629 (1): 7—13.
21. Capodicasa E., Brunori F., De Medio G.E., Pelli M.A., Vecchi L., Buoncristiani U. Effect of two-hour daily hemodialysis and sham dialysis on breath isoprene exhalation. Int. J. Artif. Organs. 2007; 30 (7): 583—8.
22 . Fuchs D., Jamnig H., Heininger P., Klieber M., Schroeck-snadel S., Fiegl M. et al . Decline of exhaled isoprene in lung cancer patients correlates with immune activation. J. Breath. Res. 2012; 6 (2): 027101. 23. Crofford O.B., Malland R.E., Winton R.E., Rogers N.L., Jackson J.C., Keller U. Acetone in breath and blood . Trans . Am . Clin . Climatol. Assoc. 1977; 88: 128—39.
24 . Turner C., Walton C., Hoashi S., Evans M. Breath acetone
concentration decreases with blood glucose concentration in type I diabetes mellitus patients during hypoglycaemic clamps. J. Breath. Res. 2009; 3 (4): 046004.
25 . Minh T.D., Oliver S.R., Ngo J., Flores R., Midyett J., Meinardi S. et
al . Noninvasive measurement of plasma glucose from exhaled breath in healthy and type 1 diabetic subjects. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2011; 300 (6): E1166—75.
26. Storer M., Dummer J., Lunt H., Scotter J., McCartin F., Cook J. et al Measurement of breath acetone concentrations by selected ion flow tube mass spectrometry in type 2 diabetes. J. Breath. Res. 2011; 5 (4): 046011.
27. Anderson J.C., Lamm W.J., Hlastala M.P. Measuring airway exchange of endogenous acetone using a single-exhalation breathing maneuver. J. Appl. Physiol. 2006; 100 (3): 880—9.
28. Bartelds B., van der Leij F.R., Kuipers J.R. Role of ketone bodies in perinatal myocardial energy metabolism. Biochem. Soc. Trans. 2001; 29 (Pt 2): 325—30.
29. Lommi J., Kupari M., Koskinen P., Naveri H., Leinonen H., Pulkki K., Härkönen M. Blood ketone bodies in congestive heart failure. J. Am. Coll. Cardiol. 1996; 28 (3): 665—72.
30. Janardhan A., Chen J., Crawford P.A. Altered systemic ketone body metabolism in advanced heart failure. Tex. Heart Inst. J. 2011; 38 (5): 533—8.
31. Marcondes-Braga F.G., Gutz I.G., Batista G.L., Saldiva P.H., Ayub-Ferreira S.M., Issa V.S. et al. Exhaled acetone as a new biomarker of heart failure severity. Chest. 2012; 142 (2): 457—66.
32. Oken M.M., Hocking W.G., Kvale P.A., Andriole G.L., Buys S.S., Church T.R. et al. Screening by chest radiograph and lung cancer mortality. The prostate, lung, colorectal, and ovarian (PLCO) randomized trial. J. Am. Med. Assoc. 2011; 306: 1865—73.
33. The National Lung Screening Trial Research Team; Reduced lung cancer mortality with low-dose computed tomographic screening. N. Engl. J. Med. 2011; 365: 395—409.
34. Poli D., Goldoni M., Caglieri A., Ceresa G., Acampa O., Carbognani P. et al. Breath analysis in non small cell lung cancer patients after surgical tumour resection. Acta Biomed. 2008; 79S1: 64—72.
35. Bajtarevic A., Ager C., Pienz M., Klieber M., Schwarz K., Ligor M.
et al Noninvasive detection of lung cancer by analysis of exhaled breath. BMC Cancer. 2009; 9: 348.
36. Song G., Qin T., Liu H., Xu G.B., Pan Y.Y., Xiong F.X. et al . Quantitative breath analysis of volatile organic compounds of lung cancer patients in China. Lung. Cancer. 2010; 67: 227—31.
37. Kischkel S., Miekisch W., Sawacki A., Straker E.M., Trefz P., Amann A., Schubert J.K. Breath biomarkers for lung cancer detection and assessment of smoking related effects— confounding variables, influence of normalization and statistical algorithms. Clin. Chim. Acta. 2010; 411: 1637—44.
Поступила 28.05.13
