Les 2: Breath research
in health and disease: “breathomics”
A day in the life of Oscar the cat
- Oscar woont in het rusthuis, mag vrij rondlopen in de kamers
- Op een bepaald moment gaat die op een bed liggen, blijft daar liggen voor een
aantal uur à gaat terug weg à patient volgende dag dood
- Dit proces herhaalt zich
- De verzorgers gebruiken oscar als timer om de familie te verwittigen à Oscar
voelt en ruikt dat de persoon gaat overlijden
- Of is Oscar de oorzaak voor de verschillende sterftegevallen?
Doelen
1. Wat is breathomics?
2. Welke technieken zijn beschikbaar en hoe gebruik je ze in een klinische setting?
3. Wat zijn de uitkomstmaten van een klinisch breathomics-onderzoek?
4. Hoe interpreteer je de resultaten?
5. Hoe ontwerp je een breathomics studie op de juiste manier?
6. Wat zijn de voordelen en mogelijke valkuilen?
Exhaled breath
- Groostste deel van het de adem bestaat uit CO2, ook een deel water, NO en CO
- Klein gedeelte zijn vluchtige organische componenten à VOCs
- Er zijn 2 fasen van onze adem
o Meer vloeibare fasen: DNA, RNA en eiwitten gaan neerslaan i.n de
waterdruppels
o Vluchtige fasen: gassen spelen een belangrijke rol
§ Vluchtige componenten zijn in een lage concentratie aanwezig
Exhaled Breath Condensate (EBC)
- Mediatoren uit de luchtwegen komen vrij uit de luchtwegbekledingsvloeistof,
worden door de uitgeademde lucht meegevoerd en vervolgens verzameld door
condensatie van de uitademing door in een gekoelde buis te ademen.
o De vloeinare fase kan je vergelijken met het uitblazen wanneer het vriest. Deze
wolk kan je opvangen à koelen à analyseren
- Condensaat = alls wat in de luchtwegen aanwezig is
- Bij elke ademhaling komen er bepaalde partikeltjes vrij, aerosolen en die kan je
capteren
- We gaan de adem koelen à dat doen we in een diepvries
o 3 toestellen
§ Turbo DECCS and EcoSCreen: letterlijk een kleine vriezer, de temperatuur
gaat van -10 tot -30 à daarin ga je ademen à gaat neerslaan à opvangen
§ Rtube: sleeve die gekoeld is à vocht wordt opgevangen à analyseren
, - Monsters worden verzameld als vloeibaar of bevroren (< -70°C) materiaal en
onmiddellijk of later geanalyseerd op vluchtige en niet-vluchtige macromoleculen.
- EBC-opvangsystemen werken bij verschillende koeltemperaturen, variërend van
nul tot onder −20°C. Voorgekoelde apparaten zijn gevoelig voor hogere
omgevingstemperaturen.
- De e^ectiviteit van condensatie hangt vooral af van:
o het ademvolume dat in de loop van de tijd door het systeem is gegaan (hoe
langer dat je blaast);
o het condenserende oppervlak (er is aangetoond dat het vergroten van het
condenserende oppervlak het EBC-volume en het aantal gedetecteerde
biomarkers vergroot).
§ Hoe groter het contactoppervlak à hoe meer info
o de temperatuurgradiënt tussen de uitgeademde lucht en het
bemonsteringssysteem.
§ Hoe kouder, hoe meer lucht neerslaat
- Verschillende componenten in EBC zijn verschillend gevoelig voor koude
temperaturen, en de concentratie van sommige bestanddelen hangt af 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 moeten het
optimale condensatiemateriaal en de optimale condensatiemethode worden
gedefinieerd. Er zijn vergelijkende methodologische studies nodig over het
verzamelsysteem en hun doeltre^endheid.
Historische ademanalyse
- Ademanalyse gaat al heel snel terug
- Hippocrates stelde voor om te ruiken aan patiënten à diagnotiek van bepaalde
ziekten
o Rotte vis à iets aan lever
- Lavoisier & Laplace hebben de gaswetten ontwikkeld
- Mid 19th century werd voor het eerste acohol in bloed ontdekt à aanleiding tot
bloedtesten bij de politie
- In de jaren 70 werd voor het eerst een chemische identificatie van de
samenstelling van VOCs in urine uitgevoerd à aanleiding gegeven tot boem van
onderzoek
, Volatile Organic Compounds (VOCs)
- Gasfasechemicaliën die bij kamertemperatuur een hoge dampspanning hebben.
- Verbindingen met een laag molecuulgewicht (<1 kDa) die worden geproduceerd
door de stofwisseling van het lichaam en vertegenwoordigen het eindpunt van
gentranscriptie en eiwitexpressie.
- Duizenden via de lucht verspreide metabolieten VOS zijn geïdentificeerd en
vormen een bibliotheek met informatie over de gezondheid van een individu.
- Wat bepaalde samenstelling van VOCs:
o Cellulair metabolisme
o Lucht dat je inademt
o Bacteriaal input van de long en darm à microbioom heeft bijdrage aan
metabolisme en dragen bij patroon,
o Alles wat er in het lichaam gebeurt à VOCs komen vrij in het bloed à komen
in de longen terecht à omdat ze hoge dampdruk hebben, komen ze in de
gasfase à door gasuitwisseling komen ze in de adem terecht
- Heel lage concentratie: komt overeen met een teaspoon suiker opgelost in een
olympisch zwembed à gevoelige detectiemethodes nodig
Een van de belangrijkste drijvers
Kanker zorgt voor ontsteking,
oxidatieve stress à radicalen in
omgeving à gaan schade toebrengen
in de omgeving à celstructuur wordt
aangepast à DNA verder aanpassen,
vet en proteinen oxideren à
vrijstelling van VOCs
Volatolome
- We kunnen volatielen overal meten: in bloed, urine, feces… à alles stelt VOC vrij
à basis van volatiloom
in health and disease: “breathomics”
A day in the life of Oscar the cat
- Oscar woont in het rusthuis, mag vrij rondlopen in de kamers
- Op een bepaald moment gaat die op een bed liggen, blijft daar liggen voor een
aantal uur à gaat terug weg à patient volgende dag dood
- Dit proces herhaalt zich
- De verzorgers gebruiken oscar als timer om de familie te verwittigen à Oscar
voelt en ruikt dat de persoon gaat overlijden
- Of is Oscar de oorzaak voor de verschillende sterftegevallen?
Doelen
1. Wat is breathomics?
2. Welke technieken zijn beschikbaar en hoe gebruik je ze in een klinische setting?
3. Wat zijn de uitkomstmaten van een klinisch breathomics-onderzoek?
4. Hoe interpreteer je de resultaten?
5. Hoe ontwerp je een breathomics studie op de juiste manier?
6. Wat zijn de voordelen en mogelijke valkuilen?
Exhaled breath
- Groostste deel van het de adem bestaat uit CO2, ook een deel water, NO en CO
- Klein gedeelte zijn vluchtige organische componenten à VOCs
- Er zijn 2 fasen van onze adem
o Meer vloeibare fasen: DNA, RNA en eiwitten gaan neerslaan i.n de
waterdruppels
o Vluchtige fasen: gassen spelen een belangrijke rol
§ Vluchtige componenten zijn in een lage concentratie aanwezig
Exhaled Breath Condensate (EBC)
- Mediatoren uit de luchtwegen komen vrij uit de luchtwegbekledingsvloeistof,
worden door de uitgeademde lucht meegevoerd en vervolgens verzameld door
condensatie van de uitademing door in een gekoelde buis te ademen.
o De vloeinare fase kan je vergelijken met het uitblazen wanneer het vriest. Deze
wolk kan je opvangen à koelen à analyseren
- Condensaat = alls wat in de luchtwegen aanwezig is
- Bij elke ademhaling komen er bepaalde partikeltjes vrij, aerosolen en die kan je
capteren
- We gaan de adem koelen à dat doen we in een diepvries
o 3 toestellen
§ Turbo DECCS and EcoSCreen: letterlijk een kleine vriezer, de temperatuur
gaat van -10 tot -30 à daarin ga je ademen à gaat neerslaan à opvangen
§ Rtube: sleeve die gekoeld is à vocht wordt opgevangen à analyseren
, - Monsters worden verzameld als vloeibaar of bevroren (< -70°C) materiaal en
onmiddellijk of later geanalyseerd op vluchtige en niet-vluchtige macromoleculen.
- EBC-opvangsystemen werken bij verschillende koeltemperaturen, variërend van
nul tot onder −20°C. Voorgekoelde apparaten zijn gevoelig voor hogere
omgevingstemperaturen.
- De e^ectiviteit van condensatie hangt vooral af van:
o het ademvolume dat in de loop van de tijd door het systeem is gegaan (hoe
langer dat je blaast);
o het condenserende oppervlak (er is aangetoond dat het vergroten van het
condenserende oppervlak het EBC-volume en het aantal gedetecteerde
biomarkers vergroot).
§ Hoe groter het contactoppervlak à hoe meer info
o de temperatuurgradiënt tussen de uitgeademde lucht en het
bemonsteringssysteem.
§ Hoe kouder, hoe meer lucht neerslaat
- Verschillende componenten in EBC zijn verschillend gevoelig voor koude
temperaturen, en de concentratie van sommige bestanddelen hangt af 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 moeten het
optimale condensatiemateriaal en de optimale condensatiemethode worden
gedefinieerd. Er zijn vergelijkende methodologische studies nodig over het
verzamelsysteem en hun doeltre^endheid.
Historische ademanalyse
- Ademanalyse gaat al heel snel terug
- Hippocrates stelde voor om te ruiken aan patiënten à diagnotiek van bepaalde
ziekten
o Rotte vis à iets aan lever
- Lavoisier & Laplace hebben de gaswetten ontwikkeld
- Mid 19th century werd voor het eerste acohol in bloed ontdekt à aanleiding tot
bloedtesten bij de politie
- In de jaren 70 werd voor het eerst een chemische identificatie van de
samenstelling van VOCs in urine uitgevoerd à aanleiding gegeven tot boem van
onderzoek
, Volatile Organic Compounds (VOCs)
- Gasfasechemicaliën die bij kamertemperatuur een hoge dampspanning hebben.
- Verbindingen met een laag molecuulgewicht (<1 kDa) die worden geproduceerd
door de stofwisseling van het lichaam en vertegenwoordigen het eindpunt van
gentranscriptie en eiwitexpressie.
- Duizenden via de lucht verspreide metabolieten VOS zijn geïdentificeerd en
vormen een bibliotheek met informatie over de gezondheid van een individu.
- Wat bepaalde samenstelling van VOCs:
o Cellulair metabolisme
o Lucht dat je inademt
o Bacteriaal input van de long en darm à microbioom heeft bijdrage aan
metabolisme en dragen bij patroon,
o Alles wat er in het lichaam gebeurt à VOCs komen vrij in het bloed à komen
in de longen terecht à omdat ze hoge dampdruk hebben, komen ze in de
gasfase à door gasuitwisseling komen ze in de adem terecht
- Heel lage concentratie: komt overeen met een teaspoon suiker opgelost in een
olympisch zwembed à gevoelige detectiemethodes nodig
Een van de belangrijkste drijvers
Kanker zorgt voor ontsteking,
oxidatieve stress à radicalen in
omgeving à gaan schade toebrengen
in de omgeving à celstructuur wordt
aangepast à DNA verder aanpassen,
vet en proteinen oxideren à
vrijstelling van VOCs
Volatolome
- We kunnen volatielen overal meten: in bloed, urine, feces… à alles stelt VOC vrij
à basis van volatiloom
