DE10137566B4 - Verfahren zur Quantifizierung der Austauschprozesse in den Atemwegen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Quantifizierung der Austauschprozesse in den Atemwegen unter Verwendung von Atemkondensat, wobei körperfremde Stoffe in Form von Markersubstanzen oral oder durch intravenöse oder subkutane Injektion verabreicht werden, oder körpereigene isotopenmarkierte Markersubstanzen in Form von Peptiden und Proteinen sowie deren metabolischen Vorstufen und Abbauprodukten, isotopenmarkiertem Zucker und Polysacchariden sowie deren metabolischen Vorstufen und Abbauprodukten oder von isotopenmarkierten Lipiden sowie deren metabolischen Vorstufen und Abbauprodukten durch intravenöse oder subkutane Injektion verabreicht werden und nach Einstellung des Verteilungsgleichgewichtes im Körper Atemkondensat gewonnen wird und die Markersubstanz im Atemkondensat quantitativ bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Quantifizierung von Austauschprozessen in den Atemwegen von Lungenatmern unter Verwendung von Atemkondensat. Es bildet als Messverfahren die Grundlage zur Bestimmung der Herkunft des Atemkondensates in den Atemwegen.
• Atemkondensat ist ein Untersuchungsmedium, welches durch Abkühlung der Ausatemluft in geeigneten Kryosystemen entsteht. Es ist prinzipiell nicht invasiv, beliebig oft und auch durch nichtmedizinisches Personal leicht zu gewinnen. Es enthält neben Wasser eine Vielzahl schwer- bzw. nichtflüchtiger Substanzen.
• Über den Entstehungsort des Exhalates innerhalb der Atemwege liegen noch keine gesicherten Erkenntnisse vor. Theoretische Überlegungen führen jedoch zu dem Schluss, dass das Exhalat und damit auch das Atemkondensat die biochemischen Verhältnisse in den Atemwegen repräsentiert:
  Der Stoffaustausch zwischen der eingeatmeten Luft und den Organen des Respirationstraktes ist ein dynamischer Prozess, der meist nicht zur Einstellung thermodynamischer Gleichgewichte führt. Daher besitzen kinetische Prozessgrößen, wie die Größe der Austauschfläche und die Diffusionsgeschwindigkeiten der verschiedenen Moleküle entscheidenden Einfluss auf diesen Stoffaustausch.
• Generell besitzen die Alveolen mit einer geschätzten Gesamtoberfläche von 80–90 m² den weitaus größten Anteil an der für den Stoffaustausch zu Verfügung stehenden Fläche. Es kann daher angenommen werden, dass der überwiegende Teil des Exhalates aus den unteren Atemwegen, also aus den Alveolen stammt.
• Aber auch Substanzen, die durch den alveolären Substanzaustausch in das Exhalat gelangen, werden nicht notwendigerweise in den unteren Atemwegen gebildet.
• Kleinmolekulare Substanzen mit relativ langer Plasmahalbwertzeit (z.B. Ethanol/Aceton) gelangen durch den Blutkreislauf in die Lunge, diffundieren leicht durch die Alveolarmembran und gelangen so in das Exhalat bzw. in das Atemkondensat. Für diese Substanzen kann generell keine Quelle angegeben werden.
• Es scheint zunächst auch überraschend; dass sehr schwerflüchtige oder gar nicht verdampfbare Substanzen im Atemkondensat nachweisbar sind.
• Bei den schwerflüchtigen, nicht wasserlöslichen Substanzen ist anzunehmen, dass diese mit dem Wasser an der Lungenoberfläche Zweiphasensysteme bilden. Die Dampfdrücke der einzelnen Komponenten addieren sich, so dass die schwerflüchtige Substanz durch Wasser in die Gasphase "geschleppt" wird.
• Nichtflüchtige Substanzen, die nicht unzersetzt verdampfbar sind oder deren Dampfdruck bei 37 ° C extrem niedrig ist – wie Proteine und anorganische Salze – können nicht über die Gasphase in das Exhalat gelangen. Hier muss davon ausgegangen werden, dass diese Substanzen in sehr feinen Aerosolpartikeln gelöst ausgeatmet werden. Die Existenz eines solchen exhalierten Aerosols ist in der Literatur beschrieben worden.
• Aus der DE 195 05 504 A1 ist ein Verfahren zur Quantifizierung der Austauschprozesse in den Atemwegen unter Verwendung von Atenkondensat bekannt. Dort werden Substanzen quantifiziert, die durch Infektion in den Körper eingedrungen sind.
• Das Dokument US 5 386 832 A beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Leberfunktion mittels isotopenmarkierten Aminosäuren, die im Atemkondensat nachgewiesen werden.
• In Dokument DE 693 27 816 T2 wird ein Verfahren offenbart, bei welchem zum Nachweis der Substanzen die Ausatemluft erwärmt wird.
• Bei dem in Dokument DE 197 55 471 A1 dargestellten Verfahren zur Analyse der Ausatemluft werden die zu quantifizierenden Substanzen vor der Untersuchung inhaliert.
• Aufgabe der Erfindung ist es somit, mittels eines Messverfahrens eine Quantifizierung der Austauschprozesse in den Atemwegen unter Verwendung von Atemkondensat anzugeben, welches die Bestimmung des Verteilungskoeffizienten zwischen Lungenoberflächenflüssigkeit und Atemkondensat ermöglicht.
• Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Verfahrensanspuches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Quantifizierung der Austauschprozesse in den Atemwegen unter Verwendung von Atemkondensat sieht vor, dass körperfremde oder isotopenmarkierte körpereigene Markersubstanzen oral oder durch intravenöse oder subkutane Injektion verabreicht werden, nach Einstellung des Verteilungsgleichgewichtes im Körper Atemkondensat gewonnen wird und die Markersubstanz im Atemkondensat quantitativ bestimmt wird. Neben der quantitativen Bestimmung der Markersubstanzen im Atemkondensat kann dabei auch noch die im Blut gemessen werden.
• Als Markersubstanzen werden solche eingesetzt, deren Dampfdruck bei Körpertemperatur zu einem merklichen Übergang in die Gasphase führt, oder schwerflüchtige, nicht wasserlösliche oder nichtflüchtige Markersubstanzen oder Kombinationen daraus.
• Beispiele körpereigener isotopenmarkierter Markersubstanzen sind:
• • isotopenmarkierte Aminosäuren, Peptide und Proteine sowie deren metabolische Vorstufen und Abbauprodukte,
• • isotopenmarkierte Zucker und Polysaccharide sowie deren metabolische Vorstufen und Abbauprodukte oder auch
• • isotopenmarkierte Lipide, sowie deren metabolische Vorstufen und Abbauprodukte.
• Von Vorteil ist es natürlich, wenn die Pharmakokinetik dieser Markersubstanzen bekannt ist.
• Die verabreichten Marker werden im Atemkondensat mittels:
• – Massenspektrometrie
• – Chromatographischer Verfahren
• – colorimetrischer Verfahren
• – immunologisch oder elektrochemisch arbeitender Biosensoren
quantitativ bestimmt.
• Aus den Konzentrationsverhältnissen zwischen Atemkondensat und Blut kann auf die Verteilungsprozesse bei der Kondensatbildung und -gewinnung geschlossen werden.
• Die interessierenden Analyte verhalten sich analog zu den Markersubstanzen mit ähnlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften.
• Das Verfahren soll am Beispiel der Markersubstanz Thymol erläutert werden.
• Thymol ist eine körperfremde Substanz von geringer Toxizität. Sie kann oral – in Form von Thymiansirupzubereitungen – unbedenklich aufgenommen werden. Ihre Plasmahalbwertzeit beträgt ca. 15 Minuten.
• Der Siedepunkt von Thymol beträgt 223 °C. Die Substanz ist sehr wenig wasserlöslich aber wasserdampfflüchtig. In ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften ähnelt Thymol daher den im Atemkondensat nachweisbaren Leukotrienen und Prostaglandinen. Die Substanz kann somit als Modell für die Austauschprozesse dieser Biomarker bei der Entstehung von Atemkondensat dienen.
• Im Einzelnen wird wie folgt verfahren:
• • orale Aufnahme einer Thymol-Dosis von 20 μg/kg Körpergewicht in Form von Thymiansirup,
• • nach ca. 20 Minuten Gewinnung von Atemkondensat über einen möglichst geringen Zeitraum mit verschiedenen Atemmanövern, je nach Fragestellung,
• • zeitgleiche Entnahme von venösem Blut (optional),
• • quantitative Analyse von Thymol mittels HPLC/MS, im Atemkondensat direkt und im Blutserum nach flüssig-flüssig-Extraktion mit Ethylacetat,
• • Errechnung des Verteilungskoeffizienten zwischen Lungenoberflächenflüssigkeit (ELF) und Atemkondensat unter der Annahme, dass die Thymol-Konzentration in der ELF der im Serum entspricht.
• Für Substanzen mit ähnlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Thymol kann ein ähnlicher Verteilungskoeffizient angenommen werden. Eine Berechnung der Konzentration in der ELF aus der Konzentration im Atemkondensat ist daher möglich.

Claims (6)

1. Verfahren zur Quantifizierung der Austauschprozesse in den Atemwegen unter Verwendung von Atemkondensat, wobei körperfremde Stoffe in Form von Markersubstanzen oral oder durch intravenöse oder subkutane Injektion verabreicht werden, oder körpereigene isotopenmarkierte Markersubstanzen in Form von Peptiden und Proteinen sowie deren metabolischen Vorstufen und Abbauprodukten, isotopenmarkiertem Zucker und Polysacchariden sowie deren metabolischen Vorstufen und Abbauprodukten oder von isotopenmarkierten Lipiden sowie deren metabolischen Vorstufen und Abbauprodukten durch intravenöse oder subkutane Injektion verabreicht werden und nach Einstellung des Verteilungsgleichgewichtes im Körper Atemkondensat gewonnen wird und die Markersubstanz im Atemkondensat quantitativ bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Markersubstanzen, deren Dampfdruck bei Körpertemperatur zu einen merklichen Übergang in die Gasphase führt, eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass schwerflüchtige, nicht wasserlösliche Markersubstanzen eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nichtflüchtige Markersubstanzen verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination der Markersubstanzen nach den Ansprüchen 2 bis 4 verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben der quantitativen Bestimmung der Markersubstanzen im Atemkondensat die Markersubstanzen im Blut gemessen werden.