FWF Projekt: P24736-B23

Mathematische Modellierung der Kinetik der Ausatmung von Spurengasen und experimentelle Validierungen

Zusammenfassung

Endogene flüchtige organische Verbindungen (VOCs) werden im menschlichen Organismus entweder aufgrund normaler Stoffwechselaktivität oder aufgrund pathologischer Störungen freigesetzt. Sie gelangen in den Blutkreislauf und werden schließlich durch Ausatmen, Hautemission, Urin usw. metabolisiert oder ausgeschieden.

Atemproben sind eine einmalige nicht-invasives Gelegenheit, um Informationen zu diesen Themen zu extrahieren. Weitere Vorteile liegen in der Möglichkeit, Atemproben so oft wie gewünscht zu entnehmen, und in der Tatsache, dass die Ausatmung auch bei der Auflösung von Atemzug zu Atemzug in Echtzeit gemessen werden kann. Insgesamt machen diese Faktoren die Atemanalyse zu einer idealen Wahl, um fortlaufend Informationen über den aktuellen metabolischen und physiologischen Zustand eines Individuums zu erhalten.

In diesem Prozess dient die Identifizierung und Quantifizierung potenzieller Krankheitsbiomarker als treibende Kraft bei der Analyse des ausgeatmeten Atems. Darüber hinaus sind zukünftige Anwendungen für die medizinische Diagnose und Therapiekontrolle mit dynamischen Bewertungen der normalen physiologischen Funktion oder Pharmakodynamik vorgesehen. Exogene VOCs, Substanzen, die aufgrund von Umwelteinflüssen in den Körper eindringen, können letztendlich zur Quantifizierung der Körperbelastung verwendet werden. Schließlich basieren Atemtests häufig auf der Aufnahme von isotopenmarkierten Vorläufern, die isotopenmarkiertes Kohlendioxid produzieren, sowie auf der Möglichkeit vieler anderer markierter Metaboliten.

Aufgrund einer ganzen Reihe von Störfaktoren, die die Konzentration flüchtiger Stoffe im Atem beeinflussen, ist die Atemprobenahme derzeit weit entfernt von den standardisierten Verfahren. Diese Faktoren hängen sowohl mit den Atemprobenprotokollen als auch mit den komplexen physiologischen Mechanismen zusammen, die dem Lungengasaustausch zugrunde liegen. Selbst unter Ruhebedingungen können die ausgeatmeten Atemkonzentrationen von VOC in Abhängigkeit von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der untersuchten Verbindung stark durch bestimmte physiologische Parameter wie Herzzeitvolumen und Atmungsmuster beeinflusst werden. Das Verständnis des Einflusses all dieser Faktoren und die Nutzung ihrer Kontrolle sind daher von zentraler Bedeutung, um eine genaue Standardisierung der Entnahme von Atemproben zu erreichen und die entsprechenden Blutkonzentrationswerte korrekt abzuleiten und letztendlich den Weg für die Routinisierung der Entnahme von Atemproben zu ebnen.

In diesem Projekt haben wir neue und erweiterte Modelle entwickelt und experimentell verifiziert. Diese Modelle ermöglichen die Bestimmung von Blutkonzentrationen aus ihrer Atemkonzentration. Außerdem ermöglichen sie die Berechnung von Produktionsraten und Stoffwechselraten aus der Atemkonzentration.

Darüber hinaus wurde in einer Reihe von Untersuchungen das Wissen über das menschliche Volatilom erweitert:

  1. Bei einer Untersuchung der flüchtigen Bestandteile von Blut und Atem wurden insgesamt 74 Verbindungen quantifiziert, die in beiden Probentypen vorkommen.
  2. Durch Messung der Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen aus der Haut haben wir eine Datenbank mit vom Menschen übertragenen flüchtigen Stoffen mit einem hohen Potenzial als Marker für die Anwesenheit von Menschen erstellt, die zur frühzeitigen Lokalisierung von eingeschlossenen Opfern bei Rettungsaktionen während Erdbeben verwendet werden kann.
  3. Schließlich wurden Bewertung, Herkunft und Implementierung von atemflüchtigen Krebsmarkern untersucht.

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Bereits veröffentlichte Peer-Review-Veröffentlichungen

  1. (pdf), Breath isoprene: muscle dystrophy patients support the concept of a pool of isoprene in the periphery of the human body, J. King, P. Mochalski, K. Unterkofler, G. Teschl, M. Klieber, M. Stein, A. Amann, and M. Baumann, Biochemical and Biophysical Research Communications 423 (2012), 526-530.
  2. Volatile organic compounds in exhaled breath: real-time measurements, modeling, and bio-monitoring applications, J. King, K. Unterkofler, S. Teschl, A. Amann, and G. Teschl, in "The 1st International Workshop on Innovative Simulation for Health Care", W. Backfrieder et al. (eds), Proceedings of IWISH 2012, (2012), 139-144.
  3. Physiological Modeling for Analysis of Exhaled Breath, J. King, H. Koc, K. Unterkofler, G. Teschl, S. Teschl, P. Mochalski, H. Hinterhuber, and A. Amann, in "Volatile Biomarkers - Non-Invasive Diagnosis in Physiology and Medicine", A. Amann and D. Smith (eds), Elsevier, (2013), 27-46.
  4. (pdf) Stability of selected volatile breath constituents in Tedlar, Kynar and Flexfilm sampling bags, P. Mochalski, J. King, K. Unterkofler, and A. Amann, Analyst 138 (2013), 1405-1418.
  5. (pdf) Blood and breath levels of selected volatile organic compounds in healthy volunteers, P. Mochalski, J. King, M. Klieber, K. Unterkofler, H. Hinterhuber, M. Baumann, and A. Amann, Analyst 138 (2013), 2134-2145.
  6. (pdf) Release and uptake of volatile organic compounds by human hepatocellular carcinoma cells (HEPG2) in vitro, P. Mochalski, A. Sponring, J. King, K. Unterkofler, J. Troppmair, and A. Amann, Cancer Cell International 13:72 (2013), 1-9.
  7. (pdf) ABA-Cloud: support for collaborative breath research, I. Elsayed, T. Ludescher, J. King, C. Ager, M. Trosin, U. Senocak, P. Brezany, T. Feilhauer, and A. Amann, J. Breath Res. 7 (2013) 026007.
  8. (pdf) Product ion distributions for the reactions of NO$^{+}$ with some physiologically significant aldehydes obtained using a SRI-TOF-MS instrument, P. Mochalski, K. Unterkofler, P. Spanel, D. Smith, and A. Amann, International Journal of Mass Spectrometry 363 (2014), 23-31.
  9. (pdf) Blood and breath profiles of volatile organic compounds in patients with end-stage renal disease, P. Mochalski, J. King, K. Unterkofler, M. Haas, G. Mayer, and A. Amann, BMC Nephrology 15 (2014), 14p.
  10. (pdf), Monitoring of selected skin-borne volatile markers of entrapped humans by Selective Reagent Ionization Time of Flight Mass Spectrometry (SRI-TOF-MS) in NO$^{+}$ mode, P. Mochalski, K. Unterkofler, H. Hinterhuber, and A. Amann, Analytical Chemistry 86 (2014), 3915-3923.
  11. (pdf), Emission rates of selected volatile organic compounds from skin of healthy volunteers, P. Mochalski, K. Unterkofler, H. Hinterhuber, and A. Amann, Journal of Chromatography B 959 (2014), 62-70.
  12. (pdf) Assessment of the exhalation kinetics of volatile cancer biomarkers based on their physicochemical properties A. Amann, P. Mochalski, V. Ruzsanyi, Y. Y. Broza, and H. Haick, J. Breath Res. 8 (2014) 016003.
  13. (pdf) Product ion distributions for the reactions of NO$^{+}$ with some physiologically significant volatile organosulfur and organoselenium compounds obtained using a selective reagent ionization time-of-flight mass spectrometer P. Mochalski, K. Unterkofler, P. Spanel, D. Smith, and A. Amann, Rapid Commun. Mass Spectrometry 28 (2014), 1683-1690.
  14. (pdf) Quantitative analysis of volatile organic compounds released and consumed by rat L6 skeletal muscle cells in vitro P. Mochalski, R. Al-Zoairy, A. Niederwanger, K. Unterkofler, and A. Amann, J. Breath Res. 8 (2014), 046003 (7pp).
  15. (pdf), Assessment, origin, and implementation of breath volatile cancer markers H. Haick, Y. Y. Broza, P. Mochalski, V. Ruzsanyi, and A. Amann, Chem. Soc. Rev. 43 (2014) 1423-1449.
  16. (pdf) Analysis of volatile organic compounds liberated and metabolized by human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) in vitro P. Mochalski, M. Theurl, A. Sponring, K. Unterkofler, R. Kirchmair, and A. Amann, Cell. Biochem. Biophys. 71 (2015), 323-329.
  17. (pdf) Exhaled methane concentration profiles during exercise on an ergometer A. Szabo, V. Ruzsany, K. Unterkofler, A. Mohacsi, E. Tuboly, M. Boros, G. Szabo, and A. Amann, J. Breath Res. 9 (2015) 016009.
  18. (pdf) Modeling-based determination of physiological parameters of systemic VOCs by breath gas analysis: a pilot study K. Unterkofler, J. King, P. Mochalski, M. Jandacka, H. Koc, A. Amann, S. Teschl, and G. Teschl, J. Breath Res. 9 (2015), 036002.
  19. (pdf) Potential of volatiles released by human body for early location of entrapped victims P. Mochalski, K. Unterkofler, G. Teschl, and A. Amann, Trends Anal. Chem. 68 (2015) 88-106.
  20. (pdf) Product ion distributions for the reactions of NO$^{+}$ with some N-containing and O-containing heterocyclic compounds obtained using SRI-TOF-MS P. Mochalski, K. Unterkofler, P. Spanel, D. Smith, and A. Amann, Int. J. Mass Spectrometr 386 (2015) 42-46.
  21. (pdf) Prediction of blood:air and fat:air partition coefficients of volatile organic compounds for the interpretation of data in breath gas analysis C. Kramer, P. Mochalski, K. Unterkofler, A. Agapiou, V. Ruzsanyi, and K. Liedl, J. Breath Res. 10 (2016), 017103.
  22. (pdf) Modeling the dynamic of methane concentration profiles during exercise on an ergometer A. Szabo, K. Unterkofler, P. Mochalski, M. Jandacka, V. Ruzsanyi, M. Boros, G. Teschl, S. Teschl, and J. King, J. Breath Res. 10 (2016), 017105.

(*) pdf´s dürfen nur für wissenschaftliche Zwecke verwendet werden.

Nach oben scrollen