Metabolomics Research - Curated Compilation of Articles

Význam tématu

Metabolomika a volatilomika představují klíčové disciplíny pro neinvazivní diagnostiku a fenotypizaci nemocí dýchacího ústrojí. Analýza těkavých organických sloučenin v dechu či kultivačních médiích umožňuje sledovat metabolické dráhy zánětu, identifikovat biomarkery a personalizovat léčbu. Použití pokročilých hyphenovaných technik s vysokým rozlišením zvyšuje citlivost a selektivitu detekce v komplexních biologických matricích.

Cíle a přehled studie / článku

V textu jsou popsány čtyři hlavní přístupy:

• Multimodální kombinace GCxGC-HRTOFMS a SIFT-MS pro fenotypizaci astmatu a CHOPN z dechu pacientů.
• Srovnání vlivu chemického a biologického zánětu na produkci těkavých metabolitů plicních epitelových buněk pomocí GCxGC-TOFMS.
• Breathomics pro diagnostiku systémové sklerózy s využitím termické desorpce a GCxGC-HR-TOFMS.
• Optimalizace plně netargetované analýzy metabolomů s důrazem na reprodukovatelnost a kvalitu dat.

Použitá metodika a instrumentace

Klíčové techniky a přístroje:

• GCxGC-HRTOFMS (LECO Pegasus series) – dvojrozměrná chromatografie s vysokým rozlišením TOF hmotovým spektrem pro odhalení stovek sloučenin v jednom běhu.
• SIFT-MS – rychlá screeningová metoda založená na vzájemné interakci iontů se vzorkovou matricí, vhodná pro klinické aplikace.
• SPME (solid-phase microextraction) – koncentrační metoda pro extrakci VOC před GCxGC.
• Termická desorpce – pro přímé uvolnění analyzovaných látek z adsorbentů.
• Pokročilá statistická analýza (ROC křivky, multivariantní metody) pro výběr kandidátních biomarkerů.

Hlavní výsledky a diskuse

V jednotlivých studiích bylo prokázáno:

• Rozlišení různých zánětlivých fenotypů astmatu/COPD s přesností kolem 90 % díky kombinaci GCxGC a SIFT-MS.
• Zvýšená produkce karbonylů (54 %) a uhlovodíků (31 %) při chemickém i biologickém modelu zánětu plicních buněk, u biologického modelu navíc signifikantní buněčná proliferace.
• Identifikace 16 kandidátních biomarkerů pro systémovou sklerózu s 92 % senzitivitou a 89 % specificitou.
• Potvrzení, že GCxGC-HRTOFMS poskytuje dostatečnou separaci (>500 píků) a hmotovou přesnost pro důvěryhodné určení sloučenin.

Přínosy a praktické využití metody

Tyto metody umožňují:

• Neinvazivní a opakované vyšetření pacienta v ambulantních podmínkách.
• Rychlé screenování dechových vzorků s možností onboard interpretace pomocí SIFT-MS.
• Optimalizaci individuálních léčebných režimů a předcházení nežádoucím účinkům.
• Rozšíření aplikací na další zánětlivé a autoimunitní onemocnění.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry vývoje:

• Integrace umělé inteligence a big data analýzy pro automatizované zpracování komplexních chromatografických a spektrálních dat.
• Vývoj přenosných přístrojů pro point-of-care testing s minimální přípravou vzorku.
• Standardizace workflow pro mezinárodní klinické studie a validaci biomarkerů.
• Propojení volatilomiky s dalšími „omics“ (proteomika, genomika) pro komplexní pohled na patofyziologii onemocnění.

Závěr

Pokročilé hyphenované techniky jako GCxGC-HRTOFMS a SIFT-MS spolu s vhodnou přípravou vzorku představují robustní platformu pro výzkum metabolomiky plicních onemocnění. Kombinace velkého separačního výkonu a rychlého screeningového režimu otevírá cestu k neinvazivní a personalizované medicíně.

Reference

• Zanella D. et al. Multimodal combination of GCxGC-HRTOFMS and SIFT-MS for asthma phenotyping using exhaled breath. Nature 2020.
• Zanella D. et al. Comparison of chemically and biologically induced inflammation on volatile metabolite production. Analyst 2020, 145, 5148.
• Zanella D. et al. Breathomics to diagnose systemic sclerosis using thermal desorption and GCxGC-HR-TOFMS. Anal. Bioanal. Chem. 413, 3813–3822 (2021).
• Stefanuto P.-H., Zanella D., Focant J.-F. The ultimate untargeted technique. The Analytical Scientist 2020.