Breath research in health and disease:
“breathomics”
1. Exhaled Breath Condensate (EBC)
1.1. Content
Adem bestaat uit CO2 (wat we uitademen), water en vluchtige organische componenten (VOCs). VOCs
vormen de basis van de studie ‘breathomics’.
Adem kunnen we opdelen in 2 grote fasen: vluchtige componenten en vloeibare druppels/aerosol.
EBC = mediatoren uit luchtwegen komen vrij uit de vloeistof in de luchtwegbekleding, worden
omhoog gedragen door uitgeademde lucht en vervolgens verzameld door condensatie van het
uitademingsproduct door in een gekoelde buis te ademen.
1.1.1. Commercial samplers
Rtube
o Uitgeademd in een soort kleine frigo, de lucht komt naar boven, het is een metalen
tube die met een soort sleeve gecoverd is maar die gekoeld is en de adem wordt hier
gecondenseerd en valt naar beneden en wordt opgevangen in het onderste vialtje.
Turbo DECCS
o Hier wordt ook in het apparaat geademd, waardoor het staal gekoeld wordt en
wordt opgevangen.
EcoScreen
o Dat is juist hetzelfde als de turbo DECCS maar groter en heeft hierdoor een grotere
koelcapaciteit en gaat ook veel meer neerslaan. Hierdoor wordt de grootste
opbrengst verkregen
1
,1.1.2. Analyse van stalen
Vloeistof chromatografie – massa spectrometrie (LC-MS)
Enzyme immuno assay (EIA)/Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)
Spectrofotometrische assays
Fluorimetrische methoden
Chemiliminescence assay
1.1.3. Hoe meer materiaal verkrijgen?
Monsters worden verzameld als vloeibaar of bevroren (< -70°C) materiaal en onmiddellijk of
later geanalyseerd op vluchtige en niet-vluchtige macromoleculen.
EBC-verzamelapparaten werken bij verschillende koeltemperaturen, variërend van nul tot
minder dan -20°C.
Voorgekoelde apparaten zijn gevoelig voor hogere omgevingstemperaturen.
De doeltreffendheid van condensatie hangt voornamelijk af van:
o Het ademvolume dat in de loop van de tijd door het systeem wordt gevoerd
Hoe meer lucht, hoe meer contact, hoe meer koeling
o Het condensatieoppervlak
Het is aangetoond dat een groter condensatieoppervlak het EBC-volume en
het aantal gedetecteerde biomarkers doet toenemen
o De temperatuurgradiënt tussen uitgeademde lucht en het bemonsteringssysteem.
Verschillende componenten in EBC zijn verschillend gevoelig voor koude temperaturen, en de
concentratie van sommige bestanddelen is afhankelijk van de condensatietemperatuur. De
werkzaamheid wordt verbeterd door het gebruik van een gesloten condensorontwerp met
ademrecirculatie of door gefractioneerde bemonstering om EBC afkomstig van proximale en
meer distale luchtwegen te scheiden.
Aanbevelingen voor toekomstig onderzoek: Voor elke EBC-component moet het optimale
condensatiemateriaal en de optimale condensatiemethode worden gedefinieerd. Vergelijkende
methodologische studies naar opvangsystemen en hun effectiviteit zijn nodig.
2. Vluchtige Organische Componenten (VOCs)
Chemische stoffen in gasfase die een hoge dampdruk hebben bij kamertemperatuur.
o Ze zijn dus vluchtig bij 37 graden en kunnen gedetecteerd worden in de lucht
Samenstellingen met een laag moleculair gewicht (<1 kDa) die geproduceerd worden door
het metabolisme van het lichaam en die het eindpunt vormen van gen transcriptie en
proteïne expressie.
Duizenden VOCs die via de adem worden overgedragen zijn geïdentificeerd en vormen een
bibliotheek van informatie over de gezondheid van een individu.
3. Breathomics
Metabolieten houden rechtstreeks verband met de huidige gezondheidstoestand en
ziekteactiviteit
VOCs uit de adem worden verzameld uit het hele lichaam via de bloedbaan
o Breed scala aan ziekten
Niet-invasief en pijnloos (toegankelijk, kan worden verstrekt door kwetsbare groepen)
‘Schoon’ (geen bloederige naalden, geen bekers met rommelige urine- of fecesmonsters)
Onuitputtelijk (praktisch)
Onmiddellijke analyse/diagnose (met realtime detectoren)
2
,2.1. Analyse
2 groepen van elkaar onderscheiden
o Chemisch-analytisch: indicatie geven zodat we weten welke stof het is (concentratie
bepaling van je componenten)
Via GC en MS karakteriseren welke VOCs in staal aanwezig is en in welke
concentratie
o Patronen: ‘ruiken’ alles in de adem
Nadeel: we weten niet wat erin zit want het zijn sensoren en gaan reageren
op passage van uw adem
Ziek met gezond vergelijken en kan je de groepen onderscheiden
De huidige gouden-standaard voor analyse van vluchtige ademgassen is GC-MS
o Uitgebreid
o Ondubbelzinnige identificatie van verbindingen
o Kwantitatief
o Uitdagingen
2.2. Technieken
2.2.1. GC-MS
NADEEL: je krijgt het niet tot bij de patiënt
Staal nemen bij patiënt aan bed staal bewerkt of bewaard worden
Adem staal erin oven opwarmen met gas staal meenemen kolom heeft bepaalde
laag en afhankelijk van samenstelling gaan bepaalde componenten langer in de kolom blijven
dan andere van kolom af versnellen en kapot maken fragmenten bekomen
terugpuzzelen welke stof je hebt
o NADEEL: staal gaat stuk
Off-line sampling: niet rechtstreeks in het toestel zelf gaan blazen
Staalname
o Adem afgenomen via zakken of tubes of combinatie van beide patient in zak
ademen, lucht op tube en tube is vergelijkbaar met GC kolom tubes naar GC laten
lopen
3
, 2.2.2. Electronic nose (eNose)
Verschillende sensoren gekoppeld in 1 toestel
Je kan rechtstreeks erin blazen maar je weet niet wat erin zit
2.2.3. Multicapillaire kolom
Patiënt rechtstreeks in machine laten blazen
Staal over multicapillaire kolom sturen (meerdere capillairen met bepaalde pakking)
o Stoffen erdoor met een bepaalde affiniteit van je kolom
Staal krijgt een positieve lading (niet kapot schieten dus geen fragmenten)
Magneet erop zetten
Verschillende stoffen en grotes dus tegengas erop zetten kleinere componenten eerder
aangetrokken door magnet dan grootte
Detector signaal
VOORDEEL: redelijk snel, goed onderscheid, compact, rechtstreeks in toestel blazen
NADEEL: databank weet nog niet welk alle stoffen zijn = pseudo-identificatie
2.3. Analyse
Untargeted Targeted
Geen vooraf bepaalde target-VOCs Vooraf bepaalde doelen
Pilotstudies Er bestaan voorafgaande studies
Unbiased aanpak Gericht
Zo veel mogelijk beschikbare VOCs Kennis biologische mechanismen
Traag Sneller
Veel inspanning Minder inspanning
Complexe gegevensverwerking Eenvoudiger verwerking
Niet voor point of care-toepassingen Point of care toepassingen
2.4. Biomarkers
Een biomerker is
o “een kenmerk dat objectief gemeten en geëvalueerd wordt als indicator van normale
biologische processen, pathogene processen of farmacologische reacties op een
therapeutische interventie”.
Soorten:
o Screening: opvolgen van asymptomatische risicopatiënten
o Diagnostisch: identificeren van patiënten bij personen bij wie ziekte wordt vermoed
4
“breathomics”
1. Exhaled Breath Condensate (EBC)
1.1. Content
Adem bestaat uit CO2 (wat we uitademen), water en vluchtige organische componenten (VOCs). VOCs
vormen de basis van de studie ‘breathomics’.
Adem kunnen we opdelen in 2 grote fasen: vluchtige componenten en vloeibare druppels/aerosol.
EBC = mediatoren uit luchtwegen komen vrij uit de vloeistof in de luchtwegbekleding, worden
omhoog gedragen door uitgeademde lucht en vervolgens verzameld door condensatie van het
uitademingsproduct door in een gekoelde buis te ademen.
1.1.1. Commercial samplers
Rtube
o Uitgeademd in een soort kleine frigo, de lucht komt naar boven, het is een metalen
tube die met een soort sleeve gecoverd is maar die gekoeld is en de adem wordt hier
gecondenseerd en valt naar beneden en wordt opgevangen in het onderste vialtje.
Turbo DECCS
o Hier wordt ook in het apparaat geademd, waardoor het staal gekoeld wordt en
wordt opgevangen.
EcoScreen
o Dat is juist hetzelfde als de turbo DECCS maar groter en heeft hierdoor een grotere
koelcapaciteit en gaat ook veel meer neerslaan. Hierdoor wordt de grootste
opbrengst verkregen
1
,1.1.2. Analyse van stalen
Vloeistof chromatografie – massa spectrometrie (LC-MS)
Enzyme immuno assay (EIA)/Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)
Spectrofotometrische assays
Fluorimetrische methoden
Chemiliminescence assay
1.1.3. Hoe meer materiaal verkrijgen?
Monsters worden verzameld als vloeibaar of bevroren (< -70°C) materiaal en onmiddellijk of
later geanalyseerd op vluchtige en niet-vluchtige macromoleculen.
EBC-verzamelapparaten werken bij verschillende koeltemperaturen, variërend van nul tot
minder dan -20°C.
Voorgekoelde apparaten zijn gevoelig voor hogere omgevingstemperaturen.
De doeltreffendheid van condensatie hangt voornamelijk af van:
o Het ademvolume dat in de loop van de tijd door het systeem wordt gevoerd
Hoe meer lucht, hoe meer contact, hoe meer koeling
o Het condensatieoppervlak
Het is aangetoond dat een groter condensatieoppervlak het EBC-volume en
het aantal gedetecteerde biomarkers doet toenemen
o De temperatuurgradiënt tussen uitgeademde lucht en het bemonsteringssysteem.
Verschillende componenten in EBC zijn verschillend gevoelig voor koude temperaturen, en de
concentratie van sommige bestanddelen is afhankelijk van de condensatietemperatuur. De
werkzaamheid wordt verbeterd door het gebruik van een gesloten condensorontwerp met
ademrecirculatie of door gefractioneerde bemonstering om EBC afkomstig van proximale en
meer distale luchtwegen te scheiden.
Aanbevelingen voor toekomstig onderzoek: Voor elke EBC-component moet het optimale
condensatiemateriaal en de optimale condensatiemethode worden gedefinieerd. Vergelijkende
methodologische studies naar opvangsystemen en hun effectiviteit zijn nodig.
2. Vluchtige Organische Componenten (VOCs)
Chemische stoffen in gasfase die een hoge dampdruk hebben bij kamertemperatuur.
o Ze zijn dus vluchtig bij 37 graden en kunnen gedetecteerd worden in de lucht
Samenstellingen met een laag moleculair gewicht (<1 kDa) die geproduceerd worden door
het metabolisme van het lichaam en die het eindpunt vormen van gen transcriptie en
proteïne expressie.
Duizenden VOCs die via de adem worden overgedragen zijn geïdentificeerd en vormen een
bibliotheek van informatie over de gezondheid van een individu.
3. Breathomics
Metabolieten houden rechtstreeks verband met de huidige gezondheidstoestand en
ziekteactiviteit
VOCs uit de adem worden verzameld uit het hele lichaam via de bloedbaan
o Breed scala aan ziekten
Niet-invasief en pijnloos (toegankelijk, kan worden verstrekt door kwetsbare groepen)
‘Schoon’ (geen bloederige naalden, geen bekers met rommelige urine- of fecesmonsters)
Onuitputtelijk (praktisch)
Onmiddellijke analyse/diagnose (met realtime detectoren)
2
,2.1. Analyse
2 groepen van elkaar onderscheiden
o Chemisch-analytisch: indicatie geven zodat we weten welke stof het is (concentratie
bepaling van je componenten)
Via GC en MS karakteriseren welke VOCs in staal aanwezig is en in welke
concentratie
o Patronen: ‘ruiken’ alles in de adem
Nadeel: we weten niet wat erin zit want het zijn sensoren en gaan reageren
op passage van uw adem
Ziek met gezond vergelijken en kan je de groepen onderscheiden
De huidige gouden-standaard voor analyse van vluchtige ademgassen is GC-MS
o Uitgebreid
o Ondubbelzinnige identificatie van verbindingen
o Kwantitatief
o Uitdagingen
2.2. Technieken
2.2.1. GC-MS
NADEEL: je krijgt het niet tot bij de patiënt
Staal nemen bij patiënt aan bed staal bewerkt of bewaard worden
Adem staal erin oven opwarmen met gas staal meenemen kolom heeft bepaalde
laag en afhankelijk van samenstelling gaan bepaalde componenten langer in de kolom blijven
dan andere van kolom af versnellen en kapot maken fragmenten bekomen
terugpuzzelen welke stof je hebt
o NADEEL: staal gaat stuk
Off-line sampling: niet rechtstreeks in het toestel zelf gaan blazen
Staalname
o Adem afgenomen via zakken of tubes of combinatie van beide patient in zak
ademen, lucht op tube en tube is vergelijkbaar met GC kolom tubes naar GC laten
lopen
3
, 2.2.2. Electronic nose (eNose)
Verschillende sensoren gekoppeld in 1 toestel
Je kan rechtstreeks erin blazen maar je weet niet wat erin zit
2.2.3. Multicapillaire kolom
Patiënt rechtstreeks in machine laten blazen
Staal over multicapillaire kolom sturen (meerdere capillairen met bepaalde pakking)
o Stoffen erdoor met een bepaalde affiniteit van je kolom
Staal krijgt een positieve lading (niet kapot schieten dus geen fragmenten)
Magneet erop zetten
Verschillende stoffen en grotes dus tegengas erop zetten kleinere componenten eerder
aangetrokken door magnet dan grootte
Detector signaal
VOORDEEL: redelijk snel, goed onderscheid, compact, rechtstreeks in toestel blazen
NADEEL: databank weet nog niet welk alle stoffen zijn = pseudo-identificatie
2.3. Analyse
Untargeted Targeted
Geen vooraf bepaalde target-VOCs Vooraf bepaalde doelen
Pilotstudies Er bestaan voorafgaande studies
Unbiased aanpak Gericht
Zo veel mogelijk beschikbare VOCs Kennis biologische mechanismen
Traag Sneller
Veel inspanning Minder inspanning
Complexe gegevensverwerking Eenvoudiger verwerking
Niet voor point of care-toepassingen Point of care toepassingen
2.4. Biomarkers
Een biomerker is
o “een kenmerk dat objectief gemeten en geëvalueerd wordt als indicator van normale
biologische processen, pathogene processen of farmacologische reacties op een
therapeutische interventie”.
Soorten:
o Screening: opvolgen van asymptomatische risicopatiënten
o Diagnostisch: identificeren van patiënten bij personen bij wie ziekte wordt vermoed
4
