Rewolucja w medycynie: Analiza zapachów ciała jako alternatywa dla inwazyjnych badań diagnostycznych
Wykrywanie chorób takich jak mukowiscydoza za pomocą zapachu, bez pobierania krwi, bez wymazu i bez jakiegokolwiek kontaktu: Sybelle Goedicke-Fritz i jej zespół w grupie roboczej profesora Michaela Zemlina w Uniwersyteckim Szpitalu Dziecięcym przy Universität des Saarlandes prowadzą badania nad tym zagadnieniem. Celem jest wykrywanie infekcji za pomocą wzorców zapachowych, które są tak indywidualne jak odciski palców. Naukowcy szkolą urządzenia pomiarowe z czujnikami gazu, aby wykrywały te wzorce w otaczającym powietrzu.
Osoby chore pachną inaczej. Wiele osób zna to zjawisko z własnego doświadczenia. Zapachy ciała zmieniają się, czy to oddech, czy zapachy wydzielane przez skórę. „Nawet w czasach starożytnych Hipokrates wykorzystywał swój zmysł węchu do rozpoznawania chorób. Jest to więc bardzo stara wiedza” – mówi dr Sybelle Goedicke-Fritz, która kieruje laboratorium badawczym na Oddziale Pediatrii i Medycyny Nastolatków. Nawet w zdrowym organizmie, ciało ludzkie z bogatą florą bakteryjną stale uwalnia cząsteczki do środowiska. W przypadku choroby, własny metabolizm organizmu i metabolizm bakterii wytwarzają inne związki chemiczne – różne w zależności od choroby. „Przy każdej infekcji lub reakcji obronnej organizmu występuje charakterystyczna reakcja zapalna, która prowadzi do produkcji pewnych substancji zapachowych. Te lotne substancje organiczne są na przykład wydychane lub wydalane wraz z potem” – wyjaśnia immunolog i biolog komórkowy z tytułem doktora.
Infekcje różnymi patogenami, a także procesy związane ze stanem zapalnym różnią się zatem bardzo indywidualnie pod względem zapachu. Sybelle Goedicke-Fritz i jej zespół chcą zmierzyć i przypisać te specyficzne produkty metaboliczne chorób. „Wzór, jaki choroby i infekcje pozostawiają na analizatorach gazów, można porównać do odcisku palca. Wzory te można również rozpoznać u innych osób cierpiących na tę samą chorobę. Nazywamy to odciskiem zapachowym”, wyjaśnia Sybelle Goedicke-Fritz.
W tym celu Goedicke-Fritz i jej zespół w Uniwersyteckim Szpitalu Dziecięcym w Homburgu zbierają pomiary od dzieci z infekcjami Covid, mukowiscydozą i innymi chorobami z wydychanego powietrza, śliny, plwociny lub potu. „Aby stworzyć specyficzne profile zapachowe chorób, mierzymy lotne związki organiczne, znane również jako LZO”, wyjaśnia Sybelle Goedicke-Fritz. Substancje te można wykryć w wydychanym powietrzu lub różnych biopróbkach, takich jak kał i mocz. Mobilne urządzenia do pomiaru gazów wielkości telefonów komórkowych, a także metody chemiczne są wykorzystywane do bezkontaktowej analizy cząsteczek w otaczającym powietrzu próbek. „Do naszych, badań we współpracy z naukowcami z Hanoweru, wykorzystujemy półprzewodnikowe systemy czujników gazu z grupy roboczej profesora Andreasa Schütze z Uniwersytetu Saarland, a także czujniki polimerowe i różne spektrometry, takie jak spektrometria ruchliwości jonów (IMS ang. Ion Mobilty Spectrometry)) i metody chromatografii gazowej” – mówi badaczka. Ona i jej zespół porównują zmierzone wartości z pomiarami na grupach kontrolnych oraz z diagnozami porównawczymi z laboratorium, takimi jak badania krwi, wymazy lub wyniki testów PCR.
„Doktoranci i studenci są również zaangażowani w te badania” – mówi Goedicke-Fritz, która kieruje również młodszą grupą badawczą zajmującą się diagnostyką nieinwazyjną i obecnie kończy habilitację na ten temat, aby włączyć ją do swojego nauczania. Naukowcy starają się ocenić wszystko, co można zmierzyć ze środowiska dzieci, aby zebrać jak najwięcej informacji o zapachach. Zapachy pozostawione w pieluszkach również okazują się obiecujące. Michelle Bous, która obecnie posiada tytuł doktora medycyny, przeanalizowała próbki kału i moczu z pieluszek w ramach swojej pracy doktorskiej, która również ujawniła charakterystyczne wzorce LZO. „Byliśmy w stanie zidentyfikować lotne związki organiczne, które możemy przypisać na przykład infekcjom lub sepsie” – mówi Michelle Bous, która za swoją pracę otrzymała już nagrodę Werner Zeh Foundation Research Award. W swojej pracy doktorskiej lekarka, która pracuje jako asystentka w laboratorium badawczym kliniki pediatrycznej, opracowała metodę bezkontaktowego badania takich profili zapachowych u wcześniaków.
Badania są prowadzone w kilku ośrodkach. Sybelle Goedicke-Fritz i jej zespołowi udało się już zarejestrować odciski substancji zapachowych kilku chorób za pomocą urządzeń pomiarowych. Zespół badawczy był już w stanie rozróżnić bakterie takie jak Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cepacia complex i Stenotrophomonas maltophilia na podstawie uwalnianych przez nie produktów przemiany materii. „Jeśli będziemy w stanie dalej rozwijać takie badania przesiewowe bakterii, będziemy mogli szybko wyciągać ważne wnioski dotyczące niezbędnej terapii bez konieczności oczekiwania przez lekarzy na bardziej złożone wyniki badań laboratoryjnych”, wyjaśnia Sybelle Goedicke-Fritz. „Jeśli jesteśmy w stanie rozpoznać infekcję bakteryjną, odpowiada to na ważne pytanie, czy można zastosować antybiotyki. Antybiotyki są skuteczne tylko przeciwko bakteriom, ale są nieskuteczne przeciwko wszystkim rodzajom wirusów” – wyjaśnia.
Fundacja Else Kröner-Fresenius finansuje badania nad infekcjami Covid i zarazkami szpitalnymi. Prace finansuje również niemieckie Stowarzyszenie Mukowiscydozy. Skuteczne terapie wrodzonej choroby metabolicznej, jaką jest mukowiscydoza, zmniejszają obecnie produkcję śluzu w płucach. Chociaż jest to wielka ulga dla osób dotkniętych tą chorobą, utrudnia to regularne badanie pacjentów pod kątem patogenów bakteryjnych, ponieważ brakuje odkrztuszanej plwociny. „W przypadku mukowiscydozy nadal nie jest możliwe uzyskanie obiektywnego obrazu stanu zapalnego płuc za pomocą nieinwazyjnych metod diagnostycznych, tj. bez interwencji” – wyjaśnia Sybelle Goedicke-Fritz.
Naukowcy chcą również stworzyć zapachowe odciski palców dla wielu innych chorób i infekcji oraz dotrzeć do istoty pytania, czy istnieją znaczące zmiany w osobistym profilu zapachowym dzieci z grupy ryzyka. Sybelle Goedicke-Fritz i jej zespół skupili się na chorobach przewodu pokarmowego, takich jak zakażenie Helicobacter, choroba Leśniowskiego-Crohna i wrzodziejące zapalenie jelita grubego, nietolerancja laktozy i zespół złego wchłaniania fruktozy, infekcje wewnątrzmaciczne u kobiet w ciąży i nienarodzonych dzieci, nasilenie niewydolności serca, zaburzenia wzrostu, dojrzewania i tarczycy, a także zaburzenia nadnerczy i cukrzycy.
Późniejszym obszarem zastosowania byłoby również szybkie rozpoznawanie zakażonych osób przed wizytą w szpitalu lub wejściem na pokład samolotu.
Naukowcy wykorzystują znalezione zapachowe odciski palców, aby nauczyć urządzenia pomiarowe przypisywania tych wzorców do określonych infekcji lub chorób w ciągu kilku sekund. Badania te mogą zatem również stanowić podstawę dalszych środków zapobiegawczych, na przykład w przypadku chorób wysoce zakaźnych. W przyszłości można by je dalej rozwijać, aby umożliwić szybkie testy wstępne w szpitalach.
Wcześniakom i dzieciom należy oszczędzić stresu związanego z procedurami diagnostycznymi.
Badania są prowadzone również z myślą o ochronie wcześniaków. Każdy plaster, każda próbka krwi, każdy kabel, który szczypie, oznacza stres dla ich maleńkich ciał. „Dla wcześniaków i małych noworodków bolesne procedury, takie jak nakłuwanie żył i ważne ciągłe monitorowanie, są stresujące. To samo dotyczy oczywiście starszych, przewlekle chorych dzieci. Ponadto badania laboratoryjne wymagają czasu, a w przypadku zagrażających życiu infekcji lub zatrucia krwi liczy się każda sekunda” – wyjaśnia profesor Michael Zemlin, dyrektor Uniwersyteckiego Szpitala Dziecięcego. Każdego roku w Niemczech przedwcześnie rodzi się ponad 60 000 dzieci. „Ich płuca nie są jeszcze w pełni rozwinięte, zarówno pod względem anatomicznym, jak i biochemicznym. Infekcje lub choroby przewlekłe stanowią dla nich szczególnie wysokie ryzyko” – wyjaśnia lekarz. Nadal nie ma metody wczesnego wykrywania niektórych z tych chorób. „Badanie przesiewowe zapachów, nad którym pracujemy w Homburgu, byłoby ważnym narzędziem diagnostycznym do wczesnego wykrywania infekcji, przewlekłych chorób płuc, takich jak dysplazja oskrzelowo-płucna lub sepsa” – mówi Michael Zemlin.
Źródło: Universität des Saarlandes (Niemcy), Klinik für Allgemeine Pädiatrie und Neonatologie
