Pilotstudie zum Stellenwert der Ionenmobilitätsspektrometrie in der Untersuchung der Ausatemluft von Patienten mit Obstruktivem Schlafapnoesyndrom im Vergleich mit gesunden Kontrollen

Das Obstruktive Schlafapnoesyndrom (OSAS) ist ein in der Gesamtbevölkerung weit verbreitetes Krankheitsbild, welches in der Regel mit exzessiver Tagesschläfrigkeit und hoher Beeinträchtigung von Lebensqualität und Leistungsfähigkeit der betroffenen Patienten einhergeht. Um das Krankheitsbild OSAS zweifelsfrei diagnostizieren zu können, ist eine stationäre Diagnostik mittels Polysomnographie vonnöten, welche zeit-, arbeits- und kostenintensiv ist. Die nicht-invasive Analyse flüchtiger organischer Substanzen (engl.: Volatile Organic Compounds = VOCs) stellt eine innovative Alternative in der Diagnostik des Obstruktiven Schlafapnoesyndroms dar. Im Rahmen einer am Universitätsklinikum Marburg durchgeführten klinischen Studie wurden in der vorliegenden Arbeit in einem Studienkollektiv von 15 Patienten mit Obstruktivem Schlafapnoesyndrom und 15 gesunden Kontrollprobanden flüchtige organische Substanzen von vier verschiedenen biologischen Materialien (Atemwegsexhalat (EB), Atemwegskondensat (EBC), Rachenspülwasser (PW) und Serum) mittels Ionenmobilitätsspektrometrie in Kopplung an eine Multikapillarsäule (MCC-IMS) und mittels chemischer Mustererkennung durch die elektronische Nase Cyranose 320 untersucht und analysiert. Die statistische Auswertung der bei der VOC-Analyse aufgezeichneten Daten erfolgte mittels Leave-One-Out-Kreuzvalidierung (LOO-CV). Ferner wurde im vorliegenden Studienkollektiv eine laborchemische Analyse der Serumparameter CRP, IL-6, IL-8 und TNF-α durchgeführt. Anhand der VOC-Analyse von Atemwegsexhalat mittels Cyranose 320 und MCC-IMS konnte gezeigt werden, dass sich die Atemwegsprofile von OSAS-Patienten und Kontrollprobanden im vorliegenden Studienkollektiv signifikant unterscheiden. Darüber hinaus ist es gelungen, sowohl mittels Cyranose 320 als auch via MCC-IMS einen signifikanten Gruppenunterschied in den Headspace-VOC-Profilen von Atemwegskondensat, Rachenspülwasser und Serum zu demonstrieren. In Bezug auf die mittels MCC-IMS erhobenen Daten war es weiterhin möglich, den im Gruppenvergleich relevant unterschiedlichen Analyten mit Hilfe von Referenzdatenbanken flüchtige organische Substanzen zuzuordnen. Hierbei kann die höchste diagnostische Genauigkeit und Trennschärfe der Substanz 2-Methylfuran in den Messreihen Serum und Atemwegsexhalat zugeordnet werden, bei der Analyse von Atemwegskondensat den Substanzen 2-Undecanon und n-Decan sowie bei der Analyse von Rachenspülwasser der Substanz Toluol. Ferner konnte eine Substanzzuordnung für diejenigen Analyten erfolgen, anhand derer ein relevanter Gruppenunterschied in mehreren biologischen Materialen festgestellt werden konnte: 2-Methylfuran in den Materialien Atemwegsexhalat, Serum und Rachenspülwasser, Toluol in Rachenspülwasser und Serum, Hexanal und 3-Methylbutanal bzw. 3-Methylbutyraldehyd in Atemwegsexhalat und Rachenspülwasser sowie Aceton in Atemwegsexhalat und Atemwegskondensat. Bezüglich der laborchemischen Analyse der Serumparameter CRP, IL-6, IL-8 und TNF-α war im vorliegenden Studienkollektiv für keinen der Parameter ein signifikanter Unterschied zwischen Patienten mit OSAS und gesunden Kontrollprobanden festgestellt worden. Die Ergebnisse der durchgeführten Labordiagnostik können somit keinen krankheitsrelevanten Unterschied im Rahmen des OSAS demonstrieren. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass es mittels Cyranose 320 und MCC-Ionenmobilitätsspektrometrie möglich ist, signifikante Unterschiede im Vergleich der VOC-Profile von Patienten mit OSAS und gesunden Kontrollen anhand der Analyse der biologischen Materialien Atemwegsexhalat, Atemwegskondensat, Rachenspülwasser und Serum zu detektieren. Diesbezüglich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Zusammensetzung flüchtiger organischer Substanzen der alveolären Exspirationsluft, des Atemwegsepithels, des oberen Respirationstrakts sowie systemisch zirkulierender VOCs im Rahmen eines OSAS verändert sein könnte. Die vorliegende Arbeit kann durch die Ergebnisse der durchgeführten VOC-Analyse einen relevanten Beitrag zum Thema der nicht-invasiven VOC-Diagnostik des OSAS liefern.
The Obstructive Sleep Apnea Syndrome (OSAS) is a widely spread disease among the total population. Its clinical presentation usually comes along with excessive daytime sleepiness and impacts negatively on health and quality of life. Gold standard in the diagnosis of OSAS is a polysomnographic examination, which is work-intensive, time-consuming and expensive. Non-invasive analysis of Volatile Organic Compounds (VOCs) represents an innovative alternative to facilitate diagnosis of OSAS. In this study we used ion mobility spectrometry coupled to a multicapillary column (MCC-IMS) as well as the electronic nose system Cyranose 320 to analyze and compare VOC profiles of 15 patients with OSAS and 15 healthy controls (HC). All the VOCs have been emitted by four different biological materials (Exhaled breath (EB), Exhaled breath condensate (EBC), Pharyngeal washings (PW) und serum). Data analysis was performed by Leave-One-Out-Cross-Validation (LOO-CV). Furthermore, we performed laboratory analysis of the serum parameters CRP, IL-6, IL-8 and TNF-α to compare both study groups. Within the recruited sample, we could demonstrate that MCC-IMS and Cyranose 320 were able to distinguish breathprints of OSAS-patients and healthy controls. In addition it was possible to significantly separate both of the groups by means of headspace VOC profiles coming from EBC, PW and serum. Regarding cross-validated MCC-IMS data, we were able to assign volatile organic substances to recorded analytes via database matching. Best separation between OSAS and HC could be achieved by 2-Methylfuran referring to the measurement series of EB and serum. In reference to EBC, the chemical compounds 2-Undecanon and n-Decan have featured the most significant distinction between both groups. With regard to PW, we could identify Toluene to have the strongest power to separate between OSAS and HC. Furthermore, we were able to detect same chemical compounds in various of the analyzed biological materials: 2-Methylfuran (EB, PW and serum), Toluene (PW and serum), Hexanal and 3-Methylbutanal/3-Methylbutyraldehyd (EB and PW) as well as Acetone (EB and EBC). Analysis of the serum parameters CRP, IL-6, IL-8 and TNF-α could not demonstrate significant distinction among healthy controls and patients with OSAS. In conclusion, it can be said that MCC-IMS and Cyranose 320 are able to detect significant distinctions in the VOC profiles of patients with OSAS and healthy controls. These findings could be ascertained among four different biological materials (EB, EBC, PW and serum) what can be seen as an indication for a changing overall VOC profile within the scope of OSAS. The results of this study can support further exploration of OSAS VOC profiles and contribute non-invasive diagnosis of the disease.