Die Mukoviszidose bzw. Cystische Fibrose (CF) als autosomal-rezessiv vererbte Multisystemerkrankung führt durch Funktionsstörung und –verlust der exokrinen Drüsen des Organismus unter anderem zu chronisch bronchialer Entzündung und Infektion. Nach wie vor ist es nicht möglich, durch nicht-invasive diagnostische Messmethoden ein objektives Bild des Entzündungsstatus der Lunge wiederzugeben. Lediglich indirekte Parameter wie zum Beispiel die Lungenfunktionsdiagnostik stehen zur Verfügung. Chronische Entzündungsprozesse tragen zu vermehrter Lipid-Peroxidation bei, mit flüchtigen organischen Spurengasen (=VOC) in der Atemluft als mögliche Endprodukte dieser Reaktion. Die Atemgasanalyse bietet daher eine potentielle Nachweismöglichkeit dieser Prozesse an und wurde mehrfach bei Arbeiten über pulmonale und extrapulmonale Erkrankungen eingesetzt, jedoch ohne eindeutige Ergebnisse oder einheitliche Messmethoden. Stickstoffmonoxid wird ebenfalls über die Atemluft freigesetzt. Dabei korrelieren erhöhte Konzentrationen bei atopischem Asthma bronchiale mit der Entzündungsaktivität, bei CF hingegen zeigen frühere Arbeiten normale bis erniedrigte Werte im Vergleich mit gesunden Probanden. Ziel dieser Arbeit war es erstens zu untersuchen, ob sich Atemgasproben von gesunden und an CF erkrankten Versuchspersonen im Kindes- und Jugendalter hinsichtlich ihrer VOC- Konzentrationen unterscheiden und somit diese als diagnostische Parameter für CF zu verwenden sind. Zweitens wurde der Einfluss weiterer Parameter auf die Atemgaskonzentrationen innerhalb der Patientengruppe überprüft. Drittens wurde die Einsatzmöglichkeit eines atmosphärischen Gaschromatographiesystems zur Atemgasanalyse und der Einfluss von Versuchsaufbau und –ablauf evaluiert. Zunächst wurde in Vorversuchen ein Standardverfahren zur Probenentnahme und –analyse mit einer Reproduzierbarkeit von 10% etabliert. Im Anschluss wurden Atem- und Raumluftproben von je 20 gesunden und an CF erkrankten Probanden gewonnen und die VOC-Konzentrationen vermessen. Der pulmonale Austausch einer Substanz wurde als alveolärer Gradient (Differenz aus exhalierter Luft und Raumluft) ausgedrückt und zum Gruppenvergleich zwischen Gesunden und an CF erkrankten Probanden herangezogen. Dieser ergab signifikante Unterschiede für Pentan (vermehrt exhaliert), 2-Propanol (vermehrt pulmonal aufgenommen) und Dimethylsulfid (vermindert exhaliert). Konzentrationsunterschiede für NO waren nicht nachweisbar. Ein erhöhter alveolärer Gradient für Pentan war bei den CF- Patienten mit einer pulmonalen Exazerbation, Dystrophie, positivem PSA-Status und CF-Diabetes assoziiert. Weiterhin waren VOC-Konzentrationen bei Patienten mit verminderter Einsekundenkapazität FEV1 und bei Passivrauchen und medikamentöser Therapie mit inhalativen Steroiden bzw. Antibiotika in der Anamnese verändert. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass besonders exhaliertes Pentan das Potential eines non-invasiven Markers zur Erfassung von pulmonalen entzündlichen Prozessen bei CF-Patienten hat. Die gemessenen Konzentrationsunterschiede für Dimethylsulfid und 2-Propanol sind aufgrund der bestehenden Unklarheiten über Ursprung und Metabolismus schwierig zu interpretieren, sind jedoch sicherlich interessante Ansatzpunkte für die Zukunft. Die Konzentration von NO in der Atemluft scheint dagegen nicht im Zusammenhang mit entzündlichen Vorgängen bei CF zu stehen, was mit früheren Publikationen übereinstimmt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten bilden eine Grundlage für weitere Forschungsarbeiten über flüchtige Kohlenwasserstoffe im Atemgas. Es gilt, genauere Daten über Herkunft und Metabolismus der VOCs zu ermitteln, einfachere Analyseverfahren zu etablieren und mögliche Biomarker für pulmonal-entzündliche Prozesse zu evaluieren. Diese Schritte können den Einsatz dieser Biomarker in der Diagnose und Behandlung der Mukoviszidose und anderer pulmonaler Erkrankungen möglich machen.
Cystic fibrosis (CF), as an autosomal recessive devisable multisystemic disease characterized by impairment of the function of exocrine glands of the organism, leads to, among others, chronic bronchial inflammation and infection. Still, it is not possible to monitor the pulmonary inflammatory status objectively by a non-invasive diagnostic method. Only indirect parameters such as pulmonary function tests are available. Chronic inflammatory processes contribute to increased lipid peroxidation with volatile organic compounds (= VOCs) in exhaled air as possible end products of this reaction. Therefore, the breath analysis offers a potential detection device of this process and has been used several times in studies on pulmonary and extrapulmonary diseases, but without clear results or standardized methods of measurement. Nitric oxide is also released in human breath. In patients with atopic asthma, an increased level correlates, among others, with inflammation activity. In CF, however, previous studies show normal or reduced levels in comparison with healthy subjects. First of all, the aim of this study was to analyze whether breath samples from healthy individuals compared to subjects with CF in childhood and adolescence vary with regard to VOC concentrations, an thus can be used as diagnostic parameters for CF. Secondly, the influence of other parameters on the respiratory gas concentrations were checked within the group of patients. Thirdly, the possible use of an atmospheric gaschromatographic system for respiratory gas analysis and the influence of experimental design and procedure was evaluated. Initially, a standard procedure for sampling and analysis with a reproducibility of 10% was established in preliminary tests. Thereafter, breath samples were taken from 20 healthy subject and 20 CF patients, and the VOC concentrations were measured. The pulmonary exchange of a substance was expressed as an alveolar gradient (difference between exhaled air and room air), which was used in the group comparison between healthy subjects and patients with CF. This revealed significant differences for pentane (increased level in exhaled air), 2-propanol (increased pulmonary uptake) and dimethyl sulfide (decreased level in exhaled air). Differences in the concentration of NO were not detectable. An increased alveolar gradient for pentane was also shown in patients with pulmonary exacerbation, dystrophy, positive PSA status and CF-associated diabetes within the CF group. Furthermore, VOC concentrations differed in patients with reduced FEV1-levels, passive smoking and drug therapy with inhaled steroids or antibiotics. These results indicate that especially exhaled pentane can possibly used as a potential non-invasive marker for the detection of inflammatory processes in CF patients. The measured differences in concentration for dimethyl sulfide and 2-propanol are difficult to interpret due to the unclarity about the origin and metabolism. But they are certainly interesting approaches for future research projects. In contrast, the concentration of NO in exhaled air does not seem to be related to inflammatory processes in CF, which is in line with previous publications. The results of this work provide a basis for further research on volatile organic compounds in breath gas. The aim is to determine more precise data on the origin and metabolism of VOCs, to establish simple analytical methods and to evaluate potential biomarkers of pulmonary inflammation. These measures may make the use of these biomarkers in the diagnosis and treatment of cystic fibrosis and other pulmonary diseases possible.
