Ученые МФТИ работают над созданием универсального прибора для анализа выдыхаемого воздуха, который значительно повысит надежность диагностики респираторных заболеваний. Прибор также можно будет использовать для наблюдения за течением болезней, реабилитацией, а также для контроля приема лекарств и уровня физических нагрузок.
Конденсация выдыхаемого воздуха является наиболее стабильным способом сбора и сохранения выдыхаемого воздуха, используемым в научным исследованиях по всему миру. Он представляет собой ультраразбавленный раствор, содержащий большое количество веществ различной химической природы, которые потенциально способны реагировать друг с другом. При этом необходимые для анализа вещества сосредоточены менее чем в 1% конденсата. Учитывая эти сложности, в лаборатории молекулярной медицинской диагностики МФТИ создали обобщенную химическую классификацию соединений, которые являются биомаркерами различных заболеваний. Результат опубликован в журнале Current Molecular Medicine. Работы ведуться в рамках реализации программы аналитического приборостроения Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
«Обобщенная химическая классификация биомаркеров заболеваний — важный этап развития подходом к медицинскому применению высокотехнологичного газоанализатора на основе масс-спектрометрии высокого разрешения. Эта технология позволяет исследовать вещества путём измерения отношения массы ионизованных атомов к их заряду, в том числе и для медицинской диагностики, в нашем проекте — для анализа выдыхаемого воздуха», — рассказал о работе Станислав Пеков, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной медицинской диагностики МФТИ.
Для начала ученые проанализировали существующие методы сбора конденсата выдыхаемого воздуха, вопросы, связанные с его концентрацией и хранением, методы анализа с использованием современных аналитических устройств для выявления биомаркеров различных заболеваний, подходы к обработке и интерпретации результатов.
Хотя конденсат выдыхаемого воздуха более чем на 99% состоит из воды,в нем выявляется более 3500 различных соединений. Ученые отмечают, что не следует ожидать значительной концентрации биомаркеров из-за большого разнообразия веществ в объеме менее 1% собранного конденсата, а наиболее интересные для поиска вещества обычно находятся на пределе обнаружения.
Недавние исследования показали, что для надежной диагностики конкретного заболевания недостаточно простого обнаружения конкретного биомаркера или изменения его концентрации. Важно выявить набор специфических соединений, характерных для конкретного заболевания. Это дополнительно усложняет задачу установления диагноза с помощью анализа конденсата выдыхаемого воздуха.
«С одной стороны диагностика выдыхаемого воздуха достаточно старая и широко представленная технология, но она до сих пор существенно ограничена для практического применения. Биоматериал для анализа сложно масштабируется и плохо транспортируется даже в случае создания мобильной лаборатории. Необходимо чтобы пациент непосредственно находился рядом с прибором. Альтернативой является анализ конденсата выдыхаемого воздуха как объекта, который гораздо проще транспортировать. Хотя и с ним также есть трудности, связанные с большим содержанием воды, а также потери наиболее летучих компонентов при конденсации выдоха. Поэтому эти две технологии не являются взаимозаменяемыми. При этом маркеры, которые обнаруживаются при диагностике выдыхаемого воздуха и при работе с конденсатом, не всегда совпадают, и в нашем обзоре мы провели их сравнение», — добавил Станислав Пеков.
Ученые рассмотрели потенциальное преобразование веществ во время конденсации выдыхаемого воздуха и систематизировали методы его анализа на основе созданной классификации. Методы анализа конденсата с использованием хроматографического разделения и масс-спектрометрического детектирования (гибридные методы) были рассмотрены отдельно как наиболее перспективные для будущих исследований.
В ходе анализа ученые установили, что многие маркеры являются производными друг друга. То есть при конденсации одно вещество переходит в другое и, соответственно, при анализе вместо одной молекулы обнаруживается другая. Понимая механизмы, по которым происходит химическая трансформация молекул при конденсации воздуха, ученые могут использовать эти данные для анализа и выдыхаемого воздуха и его конденсата одновременно. Это позволит повысить надёжность результата и создать более универсальную систему.
«Мы рассчитываем, что с использованием этой технологии существенно расширим применение самого анализа выдыхаемого воздуха и его конденсата. Не только для оценки состояния пациентов, но и для исследования состояния здорового человека при различных нагрузках, например, в ходе спортивных тренировок. Мы сможем оценивать метаболизм человека с целью оптимизации нагрузок. Это очень важно для достижения максимально эффективной тренировки спортсменов. Организм не должен перейти в экстремальный режим, когда начинает сам себя поедать, если ему не хватает воздуха или ресурсов. В этом плане анализ выдыхаемого воздуха очень удобен тем, что мы можем относительно непрерывно контролировать состояние спортсмена. Тоже самое мы предлагаем делать и для пациентов, проходящих реабилитационное лечение. Врачи смогут регулярно оценивать их состояние здоровья и сам прогресс реабилитации. Особенно это важно при смене климата и санаторно-курортном лечении. Помимо морского воздуха, на нас действует повышенная температура и солнечная активность. И не всегда такой тепловой стресс является положительным. Это также может приводить к негативному влиянию на организм за счет неблагоприятного сочетания с повышенной физической активностью», —подчеркнул Станислав Пеков.
Ученые также установили, что в процессе концентрирования полученного ультраразбавленного раствора может изменяться не только концентрация летучих веществ, но и их дальнейшее взаимодействие из-за удаления растворителя. Также следует учитывать специфические для пациента факторы, такие как возраст, пол, диета и состояние здоровья, поскольку они могут влиять на уровни биомаркеров. Указанные сложности требуют тщательного поиска биомаркеров, специфичных для конкретного заболевания, которые и позволят в дальнейшем проводить надежную диагностику и применять анализ в клинической практике.
Таким образом, следующим шагом команда ученых запланировала создание системы сбора выдыхаемого воздуха, а также широкое исследование различных способов его консервации или промежуточного хранения. Это позволит получить возможность отвязать точку исследования от времени непосредственной работы с пациентом и расширить его область. Для этого необходимо в первую очередь установить, какие ограничения накладывает химическая трансформация биомаркеров при сборе и хранении. Это также позволит создать модельный выдыхаемый воздух и модельный конденсат, который будет соответствовать задачам исследователей и тем молекулам, которые их интересуют.
