Metabolomics: Developing and optimizing a robust HRAM GC-MS pipeline for on-breath global biomarker analysis

Význam tématu

Analýza těkavých organických sloučenin (VOC) v lidském dechu představuje perspektivní neinvazivní přístup k včasné detekci a monitorování různých onemocnění. Toto odvětví, známé jako breathomics, podporuje personalizovanou medicínu, snižuje náklady na zdravotní péči a zvyšuje komfort pacienta díky bezbolestnému odběru vzorků dechu.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout plně robustní vysokorozlišovací HRAM GC-MS pipeline pro globální analýzu VOC na dechu. Použitím systému Thermo Scientific Orbitrap Exploris GC 240 MS a end-to-end řešení Breath Biopsy OMNI autoři usilovali o maximalizaci počtu detekovatelných sloučenin a minimalizaci procesní variability.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky dechu byly odebrány pomocí Breath Biopsy Collection Station a přenosného zařízení CASPER pro eliminaci 90 % okolních VOC. VOC byly zachyceny na čtyřech termodesorpčních trubicích a analyzovány na GC kolóně s teplotním profilem 30–280 °C. Detekce probíhala na Orbitrap Exploris GC 240 MS v režimu elektronové ionizace (EI) s rozsahy m/z 30–450. Pro zpracování dat bylo využito softwaru Chromeleon CDS a Compound Discoverer. Doplňkově byly testovány různé ionizační podmínky (70 vs. 35 eV) a pozitivní/negativní chemická ionizace (CI) pro zlepšení identifikace molekulárních iontů.

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda dosáhla lineárního rozsahu od 0,5 do 200 ng s koeficientem R2 = 0,9988 díky automatické regulaci zisku (AGC) v Orbitrap analyzátoru. Umožnila detekci subnanogramových koncentrací a kvantifikaci až do 500 ng ve stejném chromatografickém čase. Přesnost měření hmotnosti pod 1 ppm zlepšuje dekonvoluci a rozlišení složitých vzorků. Studie BoB (Breath or Blank) odhalila medián 517 on-breath VOC na vzorek z celkově 1454 detekovaných signálů, což potvrzuje selektivitu metody. Snížení ionizační energie na 35 eV zvýšilo intenzitu molekulárního iontu, zatímco CI poskytlo doplňující fragmentační informace pro rozlišení příbuzných sloučenin.

Přínosy a praktické využití metody

Robustní workflow nabízí vysokou opakovatelnost, citlivost a přesnost měření. Metoda podporuje rychlou identifikaci známých i neznámých VOC a tvorbu vlastních spektrálních knihoven. Je vhodná pro klinické studie, screening onemocnění a výzkum biomarkerů v respiratorní medicíně i dalších oborech.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj zahrnuje rozšiřování spektrálních databází VOC, integraci variabilních ionizačních technik a využití umělé inteligence pro analýzu vysokorozlišovacích dat. Standardizace přístupu BoB a rozsáhlé klinické studie přiblíží breathomics do rutinní praxe precizní medicíny.

Závěr

Studie prokázala, že HRAM TD-GC-MS pipeline s Orbitrap Exploris GC 240 MS a Breath Biopsy OMNI poskytuje spolehlivou, reprodukovatelnou a citlivou analýzu dechu. Tento přístup podporuje včasné odhalování onemocnění a rozvoj personalizované medicíny.

Reference

• Holden KA, Ibrahim Q, Salman D et al. Use of the ReCIVA device in breath sampling patients with acute breathlessness: a feasibility study. ERJ Open Res. 2020 Oct;6(4).