Atemanalyse als Screeningmethode für das Mammakarzinom

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von volatile organic compounds (VOCs), und ihrer veränderten Konzentrationen im Körper von Mammakarzinompatientinnen. Das Ziel dieser Pilotstudie war der Nachweis eines veränderten VOC-Spektrums im Atem von Patientinnen mit neu diagnostiziertem, primär nicht metastasiertem Mammakarzinom. Dazu wurde ein System zur Atemanalyse entwickelt und die Atemproben standardisiert entnommen. Laborchemisch gelang die Probenaufgabe schonend und reproduzierbar mittels Thermodesorption und Kryofokussierung. Die Trennung und der Nachweis der Analyte erfolgten per Gaschromatographie und Massenspektrometrie, einer zuverlässigen, nachweisstarken und reproduzierbaren Methode, die bereits in der Forschung mit Atemanalysen etabliert wurde. Erstmalig wurde der Einsatz der VOC Atemanalyse im klinischen Setting evaluiert. Die Ergebnisse unserer Studie zeigen, dass die exspiratorische Atemluft eine Vielzahl leichtflüchtiger, organischer Verbindungen im Spurenbereich enthält. Es konnten insgesamt zwischen 83 und 100 verschiedene Analyten pro Studienteilnehmerin identifiziert werden, zu denen Alkane, Alkene, Ketone, Halogenkohlenwasserstoffe, Ester, Ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Terpene, Siloxane, Alkohole, Aldehyde und Aromaten gehören. Für jede Substanz wurde der alveoläre Gradient durch Subtraktion der Raumluftkonzentration von der Atemluftkonzentration gebildet. Bei den flüchtigen organischen Substanzen konnten nach qualitativer und quantitativer statistischer Analyse folgende Abhängigkeiten nachgewiesen werden: Einen deutlichen Unterschied zwischen Patientinnen der Kontroll- und Mammakarzinomgruppe zeigten einzelne Alkane, Alkene, Terpene, Halogenkohlenwasserstoffe und aromatische Verbindungen. Ein signifikanter Konzentrationsunterschied wurde für 3-Methylhexan, Decen, Caryophyllen, Naphthalin und Trichlorethylen gemessen. Die Konzentration von 3-Methylhexan, Decen, Caryophyllen und Naphthalin war im Atem von gesunden Probandinnen signifikant höher als im Atem der erkrankten Frauen. Hingegen war die Konzentration von Trichlorethylen im Atem der erkrankten Frauen signifikant höher. Die Bedeutung dieser Ergebnisse liegt zunächst im Bereich der medizinischen Grundlagenforschung und der Entwicklung einer Referenz- Methodik zur weiteren Untersuchung exhalierter VOCs. Ein Teil der Befunde bleibt deskriptiv, solange die pathophysiologische Rolle spezifischer VOCs ungeklärt ist. Es ist anzunehmen, dass Veränderungen im Atem von Mammakarzinompatientinnen schon sehr frühzeitig zu detektieren sind, da sich bei malignen Veränderungen auf der Molekularebene schon früh ganze Zellprozesse ändern: Es kommt zur Induktion des Cytochrom-P450-Systems und nachfolgend zu veränderten Stoffwechselprozessen. Diese Veränderungen führen zu einem signifikant differenten VOC-Spektrum im Atem. Daher könnte man die Methode besonders bei frühen Karzinomen, die in der Bildgebung noch nicht zu detektieren sind, heranziehen. Bei größeren Tumoren werden im Atem auch höhere VOC-Spektren gemessen, da es im Verlauf auch zur Produktion der VOCs kommt. Diese Arbeit lässt den Schluss zu, dass chemische Analysen der Exhalationsluft auf flüchtige organische Substanzen im klinischen Alltag durchführbar sind und ein hohes Potential in der Diagnose des Mammakarzinoms besitzen. Somit stellen VOCs potentielle Marker für Brustkrebs dar. Ihre diesbezügliche Eignung wurde in dieser Studie mit der Quantifizierung organischer Spurenkomponenten unter Einsatz der hochsensitiven Methoden der Gaschromatographie und der Massenspektrometrie bestätigt. Validierte Messungen exhalierter VOCs könnten zukünftig für ein Bio-Monitoring auch außerhalb wissenschaftlicher Untersuchungen zur Verfügung stehen. Der Aufforderung des Arztes: „Bitte tief durchatmen!“ käme eine neue Bedeutung zu.

Background: Carcinogenic products in the exhaled breath of cancer patients are of growing medical interest as they can serve as noninvasive disease markers. Breath analysis can be used as an alternative or complementary diagnostic tool in breast cancer patients which have a different pattern of chemical composition in their breath. This study aims to verify the existence of specific volatile organic compounds (VOCs) in the breath of breast cancer patients. Methods: In this prospective study we included ten patients suffering from breast cancer and ten healthy pair-matched women. Breath samples were taken of each member of the two respective groups and scanned by gas chromatography/mass spectometry for contained volatile organic compounds such as alkanes, ketones, halogenated hydrocarbon, aldehydes, and esters. Results: The spectrum of VOCs did significantly differ within the two groups. Five specific VOCs could be identified as typical discriminatory markers in the breath samples. Four VOCs were elevated in the healthy controls, one specific VOC was found to be elevated in women affected by breast cancer. Conclusions: This pilot study shows a specific VOC pattern using the gas chromatography in the breath of breast cancer patients. Five specific breast cancer- VOCs could be identified. At relatively low expenses the identification of VOCs may be used to detect breast cancer.