El análisis de gases respiratorios es un método para obtener información sobre el estado clínico de un individuo mediante el control de los compuestos orgánicos volátiles (COV) presentes en el aire exhalado . El aliento exhalado es producido naturalmente por el cuerpo humano a través de la espiración y, por lo tanto, se puede recolectar de forma no invasiva y de forma ilimitada. [1] Los COV en el aire exhalado pueden representar biomarcadores de determinadas patologías ( cáncer de pulmón , asma , enfermedad pulmonar obstructiva crónica y otras). La concentración de gas respiratorio se puede relacionar con las concentraciones sanguíneas mediante modelos matemáticos.como por ejemplo en las pruebas de alcohol en sangre . [2] Hay varias técnicas que se pueden emplear para recolectar y analizar el aliento exhalado. La investigación sobre el aliento espirado se inició hace muchos años y actualmente existe una aplicación clínica limitada para el diagnóstico de enfermedades. [3] Sin embargo, esto podría cambiar en un futuro cercano, ya que actualmente se están iniciando grandes estudios de implementación a nivel mundial. [4] que implica una solución de nariz electrónica en línea: BreathBase. [5]
Análisis de gases respiratorios | |
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Propósito | Obtener información sobre el estado clínico de un individuo al monitorear los compuestos orgánicos volátiles presentes en el aliento exhalado. |
Historia
Se sabe que desde la época de Hipócrates , el análisis del aliento exhalado se realizaba con el objetivo de diagnosticar enfermedades. Por ejemplo, se creía que el aliento exhalado de una persona con diabetes presentaba un olor dulce, mientras que para las personas afectadas por insuficiencia renal mostraba un olor a pescado. [6] Sólo con Lavoisier , el puro olor del aliento humano exhalado fue sustituido por un análisis sistemático del contenido químico. El área de la respiración moderna las pruebas se inició en 1971, cuando el Premio Nobel ganador Linus Pauling demostró que la respiración humana es un gas compleja, que contiene más de 200 compuestos orgánicos volátiles diferentes. [7] Más tarde, Phillips identificó más de 3000 VOC en el aliento exhalado. [8] En los últimos años, muchos científicos se centraron en el análisis del aliento exhalado con el objetivo de identificar biomarcadores específicos de enfermedades en las primeras etapas. El cáncer de pulmón , [9] la EPOC , el cáncer de cabeza y cuello [10] se encuentran entre las enfermedades que se consideraron para la detección de biomarcadores. Incluso si el análisis del aliento exhalado comenzó hace muchos años, todavía no existe una aplicación clínica del mismo para el diagnóstico de enfermedades. Esto se debe principalmente a la falta de estandarización de las pruebas clínicas, tanto para los procedimientos de recolección de aliento como para su análisis. [11] [12] [13] Aunque el uso de las llamadas huellas del aliento determinadas por estas narices electrónicas, es prometedor y parece ser capaz de distinguir entre cáncer de pulmón, EPOC y asma. [14] También parecen capaces de detectar los diversos fenotipos del asma y la EPOC. [15] y otras enfermedades [16]
Descripción general
Los compuestos orgánicos volátiles endógenos (COV) se liberan dentro del organismo humano como resultado de la actividad metabólica normal o debido a trastornos patológicos. Entran en el torrente sanguíneo y finalmente se metabolizan o excretan por exhalación , emisión cutánea , orina , etc.
La toma de muestras de aliento no es invasiva y las muestras de aliento se pueden extraer con la frecuencia que se desee. [17]
La identificación y cuantificación de posibles biomarcadores de enfermedades puede considerarse la fuerza impulsora para el análisis del aliento exhalado. Además, se pretenden futuras aplicaciones para el diagnóstico médico y el control de la terapia con evaluaciones dinámicas de la función fisiológica normal o la farmacodinamia.
Los COV exógenos que penetran en el cuerpo como resultado de la exposición ambiental pueden usarse para cuantificar la carga corporal. Además, las pruebas de aliento a menudo se basan en la ingestión de precursores marcados isotópicamente, que producen dióxido de carbono marcado isotópicamente y potencialmente muchos otros metabolitos.
Sin embargo, el muestreo del aliento está lejos de ser un procedimiento estandarizado debido a los numerosos factores de confusión que influyen en las concentraciones de volátiles en el aliento. Estos factores están relacionados tanto con los protocolos de muestreo del aliento como con los complejos mecanismos fisiológicos que subyacen al intercambio de gases pulmonares . Incluso en condiciones de reposo, las concentraciones de COV en el aire exhalado pueden verse fuertemente influenciadas por parámetros fisiológicos específicos como el gasto cardíaco y los patrones respiratorios, dependiendo de las propiedades físico-químicas del compuesto en estudio.
Comprender la influencia de todos estos factores y su control es necesario para lograr una estandarización precisa de la recolección de muestras de aliento y para la deducción correcta de los niveles de concentración sanguínea correspondientes.
Farhi desarrolló el modelo más simple que relaciona la concentración de gas respiratorio con las concentraciones en sangre [18].
dónde denota la concentración alveolar que se supone que es igual a la concentración medida. Expresa el hecho de que la concentración de un gas inerte en el aire alveolar depende de la concentración venosa mixta, el coeficiente de partición sangre: aire específico de la sustancia y la relación ventilación-perfusión . Pero este modelo falla cuando dos sustancias prototípicas como la acetona (coeficiente de partición) o isopreno (coeficiente de partición) se miden. [19]
Por ejemplo, multiplicar la media poblacional propuesta de aproximadamente acetona en la respiración al final de la espiración por el coeficiente de partición a la temperatura corporal subestima enormemente los niveles sanguíneos observados (arteriales) que se extienden . Además, los perfiles respiratorios de acetona (y otros compuestos volátiles altamente solubles como 2-pentanona o acetato de metilo) asociados con desafíos de ergómetro de carga de trabajo moderada de voluntarios sanos normales se apartan drásticamente de la tendencia sugerida por la ecuación anterior.
Por tanto, son necesarios algunos modelos más refinados. Estos modelos se han desarrollado recientemente. [20] [21]
Aplicaciones
El análisis de gases respiratorios se utiliza en una serie de pruebas de aliento .
- Detección de asma por óxido nítrico exhalado
- Prueba de alcohol en sangre [22]
- Intoxicación por monóxido de carbono
- Enfermedad renal crónica (ERC) y diabetes mellitus [23]
- Detección de diabetes
- Diagnóstico de mal aliento
- Malabsorción de fructosa con prueba de aliento con hidrógeno
- Helicobacter pylori con prueba de aliento con urea
- Detección de cáncer de pulmón [24]
- Medición de procesos metabólicos endógenos [25]
- Seguimiento de la absorción de subproductos de desinfección tras la natación [26]
- Rechazo de órganos
- Dejar de fumar
Colectores de aliento
El aliento se puede recolectar usando una variedad de dispositivos caseros y disponibles comercialmente. Algunos ejemplos de herramientas de recolección de aliento que se utilizan en la industria de la investigación para el análisis de COV son:
- Recipiente de acero inoxidable revestido
- Colector de aire de marea final
- Bolso tedlar
- Muestreador de aliento ReCIVA® [27]
Los primeros tres dispositivos pueden usarse como un vehículo para la introducción directa de una muestra de gas en un instrumento analítico apropiado, o servir como un depósito de gas respiratorio en el que se coloca un dispositivo de absorción, como una fibra SPME, para recolectar compuestos específicos. El muestreador de aliento ReCIVA es uno de los últimos avances en el campo del análisis del aliento y actualmente se utiliza en el ensayo de cáncer de pulmón basado en el aliento más grande del mundo. [28] [29]
Análisis online
El aliento también se puede analizar en línea, lo que permite conocer el metabolismo de una persona sin la necesidad de preparar o recoger muestras. [30] Las tecnologías que permiten el análisis de la respiración en tiempo real incluyen:
- Espectrometría de masas de reacción de transferencia de protones ( PTR-MS )
- Espectrometría de masas de ionización por electropulverización secundaria ( SESI-MS ) [31]
- Espectrometría de masas de tubos de flujo de iones seleccionados ( SIFT-MS ) [30]
El análisis de la respiración es muy vulnerable a factores de confusión. El análisis de la respiración en tiempo real tiene la ventaja de que se eliminan los posibles factores de confusión asociados con la manipulación y manipulación de muestras. Los esfuerzos recientes se han centrado en estandarizar los procedimientos de análisis de la respiración en línea basados en SESI -MS, y en estudiar y reducir sistemáticamente otras fuentes de variabilidad confusas. [32]
El estado del arte en los campos de la respiración y el análisis de la respiración es la solución todo en uno BreathBase®. Permite una fácil clasificación, [33] fenotipado [15] y predicción de la respuesta a la terapia con alta precisión. [34] En lugar de cuantificar cada VOC, la medición se basa en conjuntos de sensores no específicos de reacción cruzada que no identifican a propósito los VOC individuales. Los COV interactúan de forma competitiva con los sensores, lo que permite que varios COV se unan al mismo sensor en función de su afinidad tanto por el sensor como por su sustrato. Asimismo, múltiples sensores interactúan con el mismo volátil. En particular, esto es comparable al poderoso sistema olfativo de los mamíferos y da como resultado un patrón de sensores de disparo impulsado por la mezcla completa de COV. [35]
Instrumentos analíticos
El análisis de la respiración se puede realizar con varias formas de espectrometría de masas, pero también existen métodos más simples para propósitos específicos, como el halímetro y el alcoholímetro .
- Cromatografía de gases-espectrometría de masas GC-MS
- Cromatografía de gases-espectrometría UV GC-UV
- Espectrometría de masas de reacción de transferencia de protones PTR-MS y PTR-TOF
- Espectrometría de masas de tubo de flujo de iones seleccionado SIFT-MS
- Espectrometría de movilidad iónica IMS
- Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier FTIR
- Espectroscopía de espectrometría láser
- Los sensores químicos individuales o las matrices de sensores químicos funcionan como narices electrónicas
- Ionización secundaria por electropulverización SESI-MS
Referencias
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enlaces externos
- Asociación Internacional para la Investigación de la Respiración (IABR)
- Revista de investigación de la respiración
- Iniciativa de respiración profunda
- Investigación de la respiración de Sinueslab