Breath Biopsy: combining Thermal Desorption-Gas Chromatography with High Resolution Mass Spectrometry for improved sensitivity and selectivity in untargeted breath analysis

Význam tématu

Exhalovaný dech obsahuje široké spektrum těkavých organických sloučenin (VOC), které odrážejí metabolické procesy v lidském těle. Neinvazivní odběr a analýza těchto sloučenin umožňuje včasnou identifikaci biomarkerů onemocnění a rozvoj moderních metabolomických přístupů.

Cíle a přehled studie

Studie si klade za cíl ověřit kombinaci tepelně-desorpčního vzorkovače a GC–Orbitrap MS pro nesledovanou analýzu dechových VOC. Hlavním přínosem je dosažení vysoké citlivosti (ppt úroveň) a selektivity během jediného měření, s možností detekce vysoce i nízkoabundantních látek.

Použitá metodika

Vzorky dechu (1,5 l) byly zachyceny na cartridgích Breath Biopsy pomocí přístroje ReCIVA a předkoncentrovány. Sušené vzorky byly pak tepelně desorbovány v autosampleru TD100-xr a injikovány do GC s programovaným gradientem na kolonu 30 m × 0,32 mm × 3 µm. Detekce byla prováděna na vysoko­rozlišovacím Orbitrapu s variabilní EI a CI ionizací.

Použitá instrumentace

• ReCIVA Breath Sampler (Owlstone Medical)
• Breath Biopsy Cartridges (Owlstone Medical)
• TD100-xr autosampler (Markes International)
• TRACE™ 1310 GC (Thermo Scientific)
• Exactive™ GC Orbitrap MS (Thermo Scientific)
• Software Thermo Xcalibur 4.0 a TraceFinder 4.1

Hlavní výsledky a diskuse

• Sub-1 ppm přesnost hmotnosti umožnila přesnou dekonvoluci špiček a snížení falešně pozitivních nálezů.
• Rozšířený dynamický rozsah (>5 řádů) zajistil spolehlivou kvantifikaci vysoce i nízkokoncentrovaných VOC.
• Vyhodnocení 12 vzorků dechu ukázalo vysokou korelaci 2,5-dimethylfuranu a toluenu se současným kouřením.
• Variabilní EI a CI ionizace zlepšily identifikaci strukturně podobných sloučenin.

Přínosy a praktické využití metody

• Metoda nabízí robustní platformu pro objevování a ověřování nových dechových biomarkerů.
• Vysoká selektivita a citlivost usnadňují rutinní analýzy v klinických a průmyslových laboratořích.
• Software pro dekonvoluci a filtrování HRAM dat generuje kvalitní datové sady pro nesledované studie.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření ionizačních režimů o zápornou CI pro vyšší výtěžnost molekulárních iontů.
• Integrace s pokročilou datovou analýzou a strojovým učením pro automatizovanou identifikaci neznámých VOC.
• Nasazení v longitudinálních klinických studiích pro sledování onemocnění a terapeutické odpovědi.

Závěr

Kombinace tepelně-desorpční GC a Orbitrap MS přináší významné zlepšení citlivosti, selektivity a dynamického rozsahu při nesledované analýze dechových VOC. Platforma je vhodná pro metabolomické studie a objevování dechových biomarkerů s potenciálem širokého využití v medicíně i průmyslu.

Reference

• N. W. Kwiecien et al. High-Resolution Filtering for Improved Small Molecule Identification via GC-MS. Anal. Chem. 2015, 87, 8328–8335.
• S. Capone et al. Chromatographic analysis of VOC patterns in exhaled breath from smokers and nonsmokers. Biomed. Chromatogr. 2018, 32(4), 1–11.
• S. M. Gordon et al. Volatile Organic Compounds as Breath Biomarkers for Active and Passive Smoking. Environ. Health Perspect. 2002, 110(7), 689–698.
• M. Castellanos et al. 2,5-Dimethylfuran as validated biomarker of smoking status. Nicotine Tob. Res. 2018.