文摘
有越来越多的证据支持显著提高存活率和临床结果当肺动脉高血压(PAH)是早期诊断。尽管如此,它仍然是一个主要的临床挑战,结果依赖于心脏catheterisation侵入性权利。
产生的病理生理过程和检测呼出的气息,挥发性有机化合物(挥发性有机化合物的仪器)已经被提议作为非侵入性对多环芳烃生物标志物。研究已经证实重大改变相比PAH患者呼出的挥发性有机化合物的仪器控制和/或其他呼吸系统疾病患者。这表明呼气分析作为一个潜在的非侵入性医疗应用领域的多环芳烃。
在本文中,我们审查和讨论到目前为止所取得的进展领域的呼出volatolomics(挥发性的组学作为一个潜在的非侵入性诊断的多环芳烃。此外,我们提出一个模型包括可能的生化途径改建的动脉,在这种特定的挥发性有机化合物的仪器可以检测呼出的气息在PAH的早期阶段。我们讨论所使用的不同的分析方法和推荐图包括一个“屁股上”的战略,从基本的转化研究,促进所需的字段。
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挥发性有机化合物:呼出volatolomics分析多环芳烃的无创性早期诊断http://ow.ly/4R6Q306A0zJ
肺动脉高血压
肺动脉高压(PAH)是一种进步的心肺疾病的特点是广泛的小到中等规模的肺小动脉闭塞。平均肺动脉压力的逐渐增加(肺动脉平均)导致高电阻的发展,最终导致右侧心脏衰竭和死亡(1- - - - - -3]。多环芳烃是前毛细管的第1组肺动脉高压的一个子集,定义为一个休息的肺动脉平均≥25 mmHg,肺动脉楔压(P爪子)≤15毫米汞柱,肺血管阻力(PVR) > 3木单位对核心catheterisation [2,4]。在欧洲,流行的多环芳烃范围15到60科目每百万人口,每年的发病率是每百万[5 - 10例1,5]。治疗时,平均生存2.8年(2,3,6]。
血管病变与多环芳烃是复杂的,在所有层的血管壁。细胞肥大、增生,炎症,overproliferation和抗细胞凋亡内皮间充质细胞过渡,夸张的细胞外基质成分多环芳烃的迁移和积累都被记录在案,但是其他基本pathomechanisms尚不清楚(7- - - - - -9]。虽然已经建立了广泛的药物管理的多环芳烃,他们无法完全改善症状和生存。多环芳烃是一种无法治愈的疾病,肺移植仍然是主要的治疗在严重的情况下(2,6]。
早期检测的重要性
多环芳烃经常被正确诊断心脏catheterisation在其晚期(10,11),和早期死亡率很高,尽管治疗(3,12- - - - - -14]。尽管越来越多的证据支持,显著提高存活率和临床结果达到早期诊断当PAH (3,15),它仍然是具有挑战性的12,16- - - - - -18]。这主要是由于临床沉默或不具体的早期阶段,以及由于血液动力学和功能之间的争议19]。尽管PAH的评估的可用工具的进步,包括多普勒超声心动图和肺功能和运动测试,他们的预测价值仍让人怀疑。生物标记物,如脑利钠肽(BNP)和n端pro-BNP已经在多环芳烃与血液动力学和死亡率;然而,他们的敏感性可以低,影响肾脏功能(19]。总的来说,主要的确诊是经常推迟长达2年从早期症状的出现,也代表着一个重大的挑战[20.]。越来越多的证据表明,系统测试,即。多环芳烃在高危人群筛查,将促进早期诊断和干预,提供一个机会来改善病人的结果。因此,有一个未满足的和迫切需要可靠的无创性早期生物标志物的检测多环芳烃(19- - - - - -21]。
呼出volatolome作为生物标记物
挥发性有机化合物(挥发性),由生理过程不断产生,可以通过在低浓度在呼出的气息22- - - - - -26]。病理生理过程影响生产,导致VOC呼出的气息的变化,称为呼出volatolome。因此,识别和量化的呼出volatolome可以提供丰富的生物标记物(22- - - - - -34]。由于其接近blood-air障碍,可识别,容易检测呼出变化volatolome预期在呼吸道疾病(24,31日,35- - - - - -40]。在这些情况下,挥发性有机化合物的仪器不外周血中循环系统,从那里他们可能代谢或储存在脂肪隔间;相反,他们在呼出的气息几乎立即表示,伴随的病理生理学24,31日,35]。呼出显著变化volatolome已报告在许多呼吸道疾病,包括肺癌(24,25,28,31日,33)、肺结核(41,42),慢性阻塞性肺疾病(COPD) (43,44),哮喘45),肺栓塞(46)、肺炎和囊性纤维化47,48]。
光谱的变化和/或呼出浓度挥发性有机化合物的仪器可能是由于各种各样的异常过程,反映了血液生物化学的改变。氧化应激、炎症、酶活性不平衡、碳水化合物及脂类代谢和其他机制是疾病的可能来源挥发性有机化合物的仪器(22- - - - - -24,28,31日,32]。
在多环芳烃,呼出的变化volatolome可能导致从重塑的病理生理过程,发生在小动脉的水平。然而,补偿机制配套发展的多环芳烃volatolomic改变的可能是一个额外的来源。肺和心脏的解剖和生理变化和波动肺循环可能创建呼出VOC的进一步修改配置文件和浓度8,9]。动脉重塑在PAH,例如,特点是overproliferation内皮细胞和平滑肌细胞。过度增殖可能导致局部缺氧,导致厌氧代谢的细胞(31日,49]。糖酵解途径的能源生产、酮和醇过度生产,最终在呼出的气息[中排出50]。另外,增强扩散的要求更大的胆固醇代谢,异戊二烯,例如,形成沿甲羟戊的胆固醇合成途径胞质分数(51]。炎症是另一种多环芳烃的主要标志。高水平的促炎细胞因子在肺样本(52,53),以及巨噬细胞的数量增加丛状的病变和血管周的炎症有记录的PAH患者肺(54- - - - - -57]。增加炎症活动可能导致过多的活性氧(ROS)的生产,导致当地的脂质过氧化反应和脂肪酸。例如,烷烃(循环饱和烃)副产品多不饱和脂肪酸的过氧化作用[22,23,31日,51]。
基于已知pathomechanisms血管水平,以及实验模型领域的挥发性有机化合物的仪器,我们放在一起的假设的模型血管重塑的一个潜在来源挥发性有机化合物的仪器;这个模型提出了图1。
呼出volatolome多环芳烃生物标志物
PAH所涉及的复杂的病理机制,如前所述,可以是一个来源的多种挥发性生物标志物的呼吸。几项研究已经表明的存在改变呼吸volatolome PAH患者;米ansoor等。(5827岁)相比,呼出的气息冷凝物的成分特发性(I) PAH患者30例健康对照组。两个挥发惟一确定的对照组中,和其他10个挥发性有机化合物的仪器中独特的表达病人的样本。两组常见的四种挥发性有机化合物的仪器,1-methyl-4——(1-methylethenyl)苯IPAH病人相比对照组显著降低。此外,与肺动脉平均浓度的六个挥发性有机化合物的仪器,PVR或P爪子。在更多的定性的方法,模式识别算法应用于测定挥发性有机化合物的仪器。模型之间的歧视IPAH病人和控制的准确性达75.4%。虽然有趣,但识别统计验证的挥发性有机化合物的仪器是完全基于质谱分析。这种方法缺乏,由于电离碎片的几个化合物的光谱非常相似,因此结果可能不是可重复的。为了克服这个障碍,建议识别是进行使用分析纯标准,确认每个VOC的身份,以及校准曲线,以估计的绝对浓度挥发性有机化合物的仪器,而不是每个研究的离子计数峰值(22,51]。另一方面,IPAH集团由病人在发达和疾病的严重阶段(纽约心脏协会(NYHA)分类3和4),提高的关键问题volatolome报道差异是否会在疾病的早期阶段是有效的(58]。
Cikach等。(59)探讨了呼出volatolome 31 PAH患者和34例对照的两个阶段(训练集和验证集)。21中挥发性有机化合物的仪器探索,2-nonene浓度的丙胺、乙醛、氨、乙醇和戊烷在PAH患者与对照组相比,高而1-decene和1-octene显著降低在同一病人。应用数学判别分析挥发性有机化合物的浓度,在训练阶段模型取得了86.1%的准确率和独立的验证设定的79.3%。此外,呼出氨的浓度明显与右心房压力和混合静脉氧饱和度,调整后以年龄和性别,这表明它作为一个独立的呼吸对多环芳烃生物标志物。相反,血氨水平组之间的相似,并没有与呼吸浓度有关,也没有任何临床特征。因此,在本地增加glutaminolysis [60)导致PAH hyperproliferative表型,细胞可能产生更多的本地氨,然后用呼出的气息,虽然不足以影响全血浓度。这些研究结果不仅表明PAH的严重程度的生物标志物,但也试图联系volatolome PAH的病理机制(59]。然而,氨的主要限制是针对疾病的生物标志物。这是因为氨被报道为提高呼出气息的患者患有其他疾病,包括(但不仅)肾脏疾病(61年),炎症性肠病(62年)和哮喘(63年),使其不可靠多环芳烃作为一个独立的试验。
米azzone等。(64年)招收20 PAH患者作为对照组测试的可行性比色传感器阵列volatolome集体评估诊断肺癌。结果表明,肺癌患者的集体呼吸volatolome不同于多环芳烃,特发性肺纤维化、慢性阻塞性肺病、健康控制。一旦训练,传感器阵列可以区分疾病的敏感性为73.3%,特异性为72.4%。结果不会受到性别、年龄、组织学或吸烟史64年]。尽管创新和容易执行,在这种定性的方法不能确定具体改变的挥发性有机化合物的仪器。
我们曾发表一个数组的概念验证纳米传感器的集体呼吸volatolome分析有用的检测和多环芳烃进行分类。使用不同的呼吸方法分析,我们依赖集体配置文件而不是具体改变VOC浓度在呼出的气息。模仿的嗅觉,一组非选择性气体传感器被用来分析呼吸22 PAH患者和23名健康对照组的样本。暴露后的信号从传感器获取的样本两组之间明显不同。接收器操作基于特性分类器得到样品的准确性达92%之间的差别。建立了第二个分类器识别遗传PAH突变患者骨形态形成蛋白受体2型(BMPR2)基因。分类器成功地分类遗传多环芳烃(n = 7)相比IPAH (n = 15),得分87%的整体精度。第三个模型表示一个信号从传感器阵列获取之间的相关性和病人的疾病的严重程度。有91%的准确度,样品被评为根据NYHA分级,比较不太严重的情况下(类1和2)和严重的病例(类≥3)(65年]。除了高潜力的定性诊断PAH呼吸分析使用纳米传感器阵列,我们表明,轻微的呼吸volatolome不同阶段比疾病更严重的阶段;结果还表明,特发性的病理机制和遗传PAH不同,所表示的volatolomes截然不同的气息。然而,在这种情况下,样本容量相对较小,需要进一步验证和一个独立队列(65年]。补充定量气体chromatrography与质量spectometric 45的呼吸样本分析后,初步研究证实了显著差异10呼吸挥发量与多环芳烃的浓度,和子组,包括BMPR2基因突变多环芳烃(66年]。目前,临床试验进行验证(扩张)正在进行,目标是招募400名志愿者,其中包括IPAH患者遗传PAH患者高风险科目没有多环芳烃(无症状的亲属家族PAH例携带BMPR2突变)和慢性血栓栓塞肺动脉高压患者(ClinicalTrials.gov标识符NCT02782026)
综合来看,这些研究都支持的可能性,呼出的气息生物标记物可以作为医学应用在多环芳烃的检测和管理。
外生挥发积极参与PAH吗?
很意外,当检测挥发性有机化合物的仪器已经报道与多环芳烃,很明显,一些化合物确定外生的起源。(1-methyl-4) - 1-methylethenyl苯呋喃,tetrahydro-2, 2, 4, 4-tetramethyl,苯甲醛,N-ethyl-benzenamine,苯并噻唑和其他人不从内部形成58,59,66年]。这些化合物被认为是污染物,可能由于暴露于香烟烟雾中,空气污染和辐射(31日]。可能,他们的高波动性和反应性允许这些化合物泄漏进入呼吸道细胞的细胞质中,导致了不受欢迎的副作用,包括DNA酶和过氧化损伤。长期暴露的累计损伤是假定发起和/或导致肺癌的发病机制(31日]。
血管重塑与致癌多环芳烃股票类似的功能。肺血管病变PAH患者有类似癌症的特点(7]。hyperproliferative表型抵抗细胞死亡,放松管制的细胞能量,血管生成和肿瘤促进炎症的常见特点是多环芳烃和肺癌7]。因此,它是合理的链接的副作用吸入污染物挥发性有机化合物的仪器的启动/进展的多环芳烃。米ontani等。(67年)进行了病例对照研究的考验可能职业协会的接触有机溶剂和肺部静脉阻塞疾病的风险(PVOD)。65年33 PVOD和PAH情况下,PVOD明显与职业接触有机溶剂,特别是三氯乙烯(TCE)调整后的优势比为8.2。例如,发达肺损伤小鼠接触TCE伴随着氧化应激增加,这是众所周知的,参与血管重塑(68年,69年]。这表明,挥发性化合物从外生来源可以直接导致呼吸道和心血管疾病的病理生理学。
在呼吸volatolomics再现性和分析方法
一个特定争议中公布的数据是大方差和不匹配的从不同的研究结果。举例来说,在一个案例中,作者报道,一些挥发性有机化合物的仪器被PAH患者完全表达,而其他人则表明,病人和控制共享相同的呼出的挥发性有机化合物的仪器,但其浓度的差异(58,59,66年]。此外,数量和挥发性有机化合物的仪器与多环芳烃的身份在不同的研究不同。总之,这就提出了一个问题:呼吸分析的重复性和再现性,尤其是在多环芳烃。然而,这可以解释为不同呼吸抽样程序和分析方法。不同的抽样程序和各种常用方法可能导致的“捕获”表达的不同光谱呼吸volatolomes [22]。此外,每一个分析工具有不同的灵敏度和检测极限,和病人的小尺寸和异质性群体可以排除获得强劲的VOC生物标志物。尽管有这些差异,整体的关键信息报告在文献中是相似的,即。多环芳烃有呼吸volatolome发生重大变化。
一般来说,寻找独特的表达呼出挥发性有机化合物的仪器在一个给定的疾病尚未成功。事实上,没有一个记录的挥发性有机化合物的仪器就可以协助诊断(27,33,70年- - - - - -77年]。例如,大部分的呼吸已经提出了多环芳烃生物标志物也与其他疾病有关,一个这样的案例被氨。这表明,当两个或更多疾病的共同病理机制,类似的呼出的挥发性有机化合物的仪器可能会受到影响。相反,部分的浓度挥发性有机化合物的仪器可能会受到超过一种类型的病理生理学的影响。因此,在一种复杂的疾病,如多环芳烃涉及多个病理生理过程和多个系统/器官,它不太可能找到独特的呼吸挥发性有机化合物的仪器(缺席nonpatient控制和/或其他疾病)。因此,集体volatolome评估可能是更现实的未来医疗应用程序在多环芳烃的检测。已经报道,一个聪明的人工嗅觉系统组成的阵列的纳米传感器可以训练多环芳烃的检测和分类65年,66年]。从哺乳动物的嗅觉学习,可交叉反应的(非选择性)传感器用于挥发性有机化合物波谱的集体传感在呼吸24,29日,32,78年,79年]。结合模式识别算法,集体,但具体,breath-signature与多环芳烃可以确定有关。更少依赖每个挥发性有机化合物的浓度,集体分析更加健壮和抵抗可能的混杂因素24,29日,32,78年,79年]。
观点:volatolomics改建为早期诊断动脉
到目前为止,所有的研究探索volatolomic改变(定性和/或定量)的PAH患者建立和先进的疾病(58,59,64年,66年]。在这个阶段的疾病,各种各样的解剖和生理变化发生在肺部,心脏,免疫/炎症系统和循环8,9]。这些补偿和/或辅助机制也可能影响呼出volatolome。因此,整体的变化不太可能volatolome描述PAH的早期阶段的代表,即。主要的病理机制,在血管的水平。此外,呼出挥发性有机化合物的仪器可能会受到无关的影响机制,药物,并发症和血液动力学的和心脏的影响(80年,81年]。因此,怀疑是挥发性有机化合物的仪器,已报告可以帮助PAH的早期检测。
动脉PAH的早期阶段改造涉及到几个分子和细胞通路可能影响的特定光谱挥发性有机化合物的仪器。这种沉默或模糊的阶段可以持续4年之前正式诊断(20.]。因此,我们建议这些挥发的识别和定位应该是多环芳烃的早期无创诊断的第一步。在这个挑战成功,我们建议两种互补的方法。首先,临床评价进一步探索volatolomic多环芳烃及其子集的变化,关注高风险科目没有已知的多环芳烃(例如,家族BMPR2突变的情况下)。周期性的临床、生物和volatolome评估这一组可以帮助与volatolomic相关疾病的发展变化,在其早期阶段。一旦启动导致疾病早期血液动力学的后果,搜索应该集中在呼出的气息变化volatolome症状前阶段(图2)。
此外,基本的生物学实验需要并行运行,直接通过血管细胞释放的挥发性有机化合物的仪器,参与改造的过程中,应识别和调查。为此,肺标本,例如PAH患者肺移植后,可以用来建立微血管内皮细胞和平滑肌细胞培养。这些细胞释放的挥发性有机化合物的仪器可以识别和定量分析。体外在文化表达的挥发性有机化合物的仪器基本上是与一些病理机制在血管细胞层面,而与血液动力学或其他辅助机制与晚期多环芳烃。因此,这些挥发性有机化合物的仪器可能代表“纯”血管remodelling-specific生物标记。我们还必须确定的重要性之间的关联生产特定的挥发性有机化合物的仪器和已知或疑似在多环芳烃代谢途径。接触健康的血管细胞的刺激,如炎症、缺氧,ROS、过度增殖状态/抗凋亡和其他人可以告诉我们多少volatolome血管的细胞是影响每个病理过程以及它们之间的平衡(图2)。
虽然动物模型可以在此阶段,信息非常具有挑战性的方面应该是为了受益于这样的研究,首次提出了如下。1)对肺动脉高压动物模型主要是开发的小动物(诱导大鼠或小鼠使用野百合碱(MCT),暴露在缺氧或Sugen-hypoxia) (82年]。因此,它极具挑战性收集足够数量的呼出的气息(> 500毫升/动物/测试),考虑到他们的潮汐卷77年]。2)目前尚不清楚有多少提到模型表示实际的疾病发生在人类,特别是时间事件和贫困的表现型(82年,83年]。例如,特定模型会产生严重的肺动脉高血压和心力衰竭的特点在3周内;然而,由于其特定的细胞毒性也可能影响其他不相关的器官。MCT模型还建议引起肺间质水肿、心肌炎和肝静脉阻塞疾病,不是人类肺动脉高压的特点(84年]。因此,这些额外pathomechanisms可能会导致进一步的不具体的volatolomic变化,可能会错误地与肺动脉高压有关。因此,这将是非常具有挑战性的关联volatolomic PAH患者和这些动物模型的变化。
总的来说,早期阶段PAH挥发性生物标志物可以识别和诊断在未来针对呼出的气息。它可能有助于找到原点的挥发性有机化合物的仪器,并可能提供知识的确切机制导致每个volatolomic变化。因此,监测这些挥发性有机化合物的仪器可以用于多环芳烃病人管理、跟踪和监控。
Volatolomics在二级PAH /肺动脉高压
这是承认IPAH通常是诊断晚期,由于不清楚和不具体的临床表现的早期阶段。已经建议在文献中,非侵入性的筛选试验将是非常有用的在这种情况下(19]。因此,呼吸分析测试可能是安全的,容易执行、快速、可重复的筛选工具,医生可以使用作为一个指标的模糊的早期阶段。因此,在这种背景下,关注BMPR2突变的遗传群体和他们的亲戚是一个简化的策略来确定早期volatolomic变化与多环芳烃。报道,20 - 30%的人口将最终发展多环芳烃(85年],因此周期性呼吸测试这个群体可能是一个关键因素监测volatolomic尽快改变动脉改造开始,表明右心catheterisation的必要性。
对于更复杂的情况下,如多环芳烃与结缔组织疾病或艾滋病毒感染有关,或肺动脉高压辅助心脏疾病或慢性阻塞性肺病,基础研究的方法应该是不同的。预计,由于复杂的病理生理过程和并发症,volatolomic模式将更复杂的理解。目前尚不清楚呼出VOC概要文件看起来如何,存在两种疾病(慢性阻塞性肺病和肺动脉高压,例如),因为部分挥发性有机化合物的仪器可以受分子途径参与的两种疾病。Volatolomic变化与慢性阻塞性肺病(“纯”)相关联,例如,已经发表(43,86年),因此有必要评估对象与继发性肺动脉高压,一群慢性阻塞性肺病患者,为了查明具体volatolomic变化与这两种疾病的结合。事实上,它是合理的预期,在这种情况下三分之一和具体volatolomic模式会被发现;代表pathomechanism参与两种疾病,会对分类有用的特定群体的病人。我们建议这个策略分类的测试和评估,而不是检测、肺动脉高压或多环芳烃复杂的子分类。
结束语
与右心catheterisation的标准诊断方法,多环芳烃通常是诊断晚期,负面影响临床结果和存活率。的呼出volatolome是一个数据库的信息关于细胞和分子活动,并代表一个独特的窗口在病理和代谢途径参与多环芳烃。呼出生物标记可能是有用的在多环芳烃的早期诊断的过程。然而,主要的基础和转化研究仍然需要确定呼出挥发性有机化合物的仪器与疾病的早期阶段开发和训练一个简单的呼吸分析仪之前指定的PAH的早期检测。
披露的信息
补充材料
脚注
支持声明:抗议等承认国际相关实验室Inserm-Technion和《欧洲呼吸协会长期PAH博士后资助和支持。188bet官网地址
作者感谢援助Publique -巴黎Hopitaux (AP-HP Contrat当地d 'Interface 2014 s . Cohen-Kaminsky)和集成Hospitalo-Universitaire胸腔创新(东华大学都灵)对金融支持。
利益冲突:披露可以找到与这篇文章www.qdcxjkg.com
- 收到了2016年9月27日。
- 接受2016年11月15日。
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