Análisis de gases respiratorios

El análisis de gases en el aliento es un método para obtener información sobre el estado clínico de un individuo mediante el control de los compuestos orgánicos volátiles (COV) presentes en el aliento exhalado . El aliento exhalado es producido naturalmente por el cuerpo humano a través de la espiración y, por lo tanto, se puede recolectar de forma no invasiva e ilimitada. ^[1] Los COV en el aliento exhalado pueden representar biomarcadores para ciertas patologías ( cáncer de pulmón , asma , enfermedad pulmonar obstructiva crónica y otras). La concentración de gases en el aliento se puede relacionar con las concentraciones en sangre a través de modelos matemáticos , como por ejemplo en las pruebas de alcohol en sangre . ^[2] Hay varias técnicas que se pueden emplear para recolectar y analizar el aliento exhalado. La investigación sobre el aliento exhalado comenzó hace muchos años, actualmente existe una aplicación clínica limitada para el diagnóstico de enfermedades. ^[3] Sin embargo, esto podría cambiar en el futuro cercano, ya que actualmente se están iniciando grandes estudios de implementación a nivel mundial. ^[4]

Se sabe que desde los tiempos de Hipócrates , el análisis del aliento exhalado se realizaba con el objetivo de diagnosticar enfermedades. Por ejemplo, se creía que el aliento exhalado de una persona diabética presentaba un olor dulce, mientras que para las personas afectadas por insuficiencia renal mostraba un olor parecido al del pescado. ^[5] Solo con Antonie Lavoisier , el olfato puro del aliento exhalado humano fue sustituido por un análisis sistemático de los contenidos químicos. El área de las pruebas de aliento modernas comenzó en 1971, cuando el ganador del Premio Nobel Linus Pauling demostró que el aliento humano es un gas complejo, que contiene más de 200 COV diferentes. ^[6] Más tarde, se han identificado más de 3000 COV en el aliento exhalado. ^[7] En los últimos años, muchos científicos se han centrado en el análisis del aliento exhalado con el objetivo de identificar biomarcadores específicos de la enfermedad en etapas tempranas. El cáncer de pulmón , ^[8] la EPOC y el cáncer de cabeza y cuello ^[9] se encuentran entre las enfermedades que se han considerado para la detección de biomarcadores. Aunque el análisis del aliento exhalado comenzó a realizarse hace muchos años, aún no se ha aplicado clínicamente para el diagnóstico de enfermedades. Esto se debe principalmente a la falta de estandarización de las pruebas clínicas, tanto para los procedimientos de recolección de aliento como para su análisis. ^{[10] [11] [12]} Sin embargo, el uso de las llamadas huellas del aliento, determinadas por narices electrónicas , es prometedor y parece que pueden distinguir entre cáncer de pulmón, EPOC y asma. ^[13] También parecen capaces de detectar los diversos fenotipos de asma y EPOC ^[14] y otras enfermedades ^[15]

Los compuestos orgánicos volátiles (COV) endógenos se liberan en el organismo humano como resultado de la actividad metabólica normal o debido a trastornos patológicos. Ingresan al torrente sanguíneo y finalmente se metabolizan o excretan a través de la exhalación , la emisión cutánea , la orina , etc.

La identificación y cuantificación de posibles biomarcadores de enfermedades puede considerarse como la fuerza impulsora del análisis del aliento exhalado. Además, se prevén futuras aplicaciones para el diagnóstico médico y el control de la terapia con evaluaciones dinámicas de la función fisiológica normal o la farmacodinámica.

Los COV exógenos que penetran en el organismo como resultado de la exposición ambiental se pueden utilizar para cuantificar la carga corporal. Además, las pruebas de aliento suelen basarse en la ingestión de precursores marcados isotópicamente, que producen dióxido de carbono marcado isotópicamente y, potencialmente, muchos otros metabolitos.

Sin embargo, el muestreo del aliento está lejos de ser un procedimiento estandarizado debido a los numerosos factores de confusión que sesgan las concentraciones de volátiles en el aliento. Estos factores están relacionados tanto con los protocolos de muestreo del aliento como con los complejos mecanismos fisiológicos que subyacen al intercambio de gases pulmonares . Incluso en condiciones de reposo, las concentraciones de COV en el aliento exhalado pueden verse fuertemente influenciadas por parámetros fisiológicos específicos, como el gasto cardíaco y los patrones respiratorios, dependiendo de las propiedades fisicoquímicas del compuesto en estudio.

Comprender la influencia de todos los factores y su control es necesario para lograr una estandarización precisa de la recolección de muestras de aliento y para la correcta deducción de los niveles de concentración sanguínea correspondientes.

El modelo más simple que relaciona la concentración de gases en el aliento con las concentraciones en sangre fue desarrollado por Farhi ^[16].

${\displaystyle C_{A}={\frac {C_{\bar {v}}}{\lambda _{\text{b:aire}}+{\dot {V}}_{A}/{\dot {Q}}_{c}}},}$

donde denota la concentración alveolar que se supone igual a la concentración medida. Expresa el hecho de que la concentración de un gas inerte en el aire alveolar depende de la concentración venosa mixta , el coeficiente de partición sangre:aire específico de la sustancia y la relación ventilación-perfusión . Pero este modelo falla cuando se miden dos sustancias prototípicas como la acetona (coeficiente de partición ) o el isopreno (coeficiente de partición ). ^[17]$Estilo de visualización C_{A}}$${\displaystyle C_{\bar {v}}}$ ${\displaystyle \lambda _{\text{b:aire}}}$ ${\displaystyle {\punto {V}}_{A}/{\punto {Q}}_{c}}$${\displaystyle \lambda _{\text{b:aire}}=340}$${\displaystyle \lambda _{\text{b:aire}}=0,75}$

Por ejemplo, multiplicar la media poblacional propuesta de aproximadamente acetona en la respiración al final de la espiración por el coeficiente de partición a temperatura corporal subestima enormemente los niveles observados en sangre (arterial) que se extienden alrededor de . Además, los perfiles de aliento de acetona (y otros compuestos volátiles altamente solubles como 2-pentanona o acetato de metilo) asociados con desafíos de ergómetro de carga de trabajo moderada de voluntarios sanos normales se alejan drásticamente de la tendencia sugerida por la ecuación anterior; por lo tanto, son necesarios algunos modelos más refinados. Tales modelos se han desarrollado. ^{[18] [19]}${\displaystyle 1\mu g/L}$${\displaystyle \lambda _{\text{b:aire}}=340}$${\estilo de visualización 1 mg/L}$

El análisis de gases respiratorios se utiliza en diversas pruebas de aliento .

• Detección del asma mediante óxido nítrico exhalado ^[20]
• Prueba de alcoholemia ^[21]
• Intoxicación por monóxido de carbono
• Enfermedad renal crónica (ERC) y diabetes mellitus ^[22]
• Detección de diabetes
• Diagnóstico del mal aliento
• Malabsorción de fructosa con prueba de aliento con hidrógeno
• Prueba de aliento con urea para Helicobacter pylori
• Detección de cáncer de pulmón ^[23]
• Medición de procesos metabólicos endógenos ^[24]
• Monitoreo de la absorción de subproductos de desinfección después del baño ^[25]
• Rechazo de órganos
• Dejar de fumar

El aliento se puede recolectar utilizando una variedad de dispositivos caseros y disponibles comercialmente. Algunos ejemplos de herramientas de recolección de aliento utilizadas en la industria de la investigación para el análisis de COV son:

• Recipiente de acero inoxidable revestido
• Colector de aire de marea final
• Bolsa de tedlar

Estos dispositivos se pueden utilizar como vehículo para la introducción directa de una muestra de gas en un instrumento analítico apropiado, o servir como depósito de gas respiratorio en el que se coloca un dispositivo de absorción, como una fibra SPME, para recoger compuestos específicos.

El aliento también se puede analizar en línea, lo que permite conocer el metabolismo de una persona sin necesidad de preparar ni recolectar muestras. ^[26] Las tecnologías que permiten el análisis del aliento en tiempo real incluyen:

• Espectrometría de masas por reacción de transferencia de protones ( PTR-MS )
• Espectrometría de masas por ionización por electrospray secundario ( SESI-MS ) ^[27]
• Espectrometría de masas con tubo de flujo de iones seleccionados ( SIFT-MS ) ^[26]

El análisis del aliento es muy vulnerable a factores de confusión. Analizar el aliento en tiempo real tiene la ventaja de que se eliminan los posibles factores de confusión asociados con el manejo y la manipulación de las muestras. Los esfuerzos recientes se han centrado en estandarizar los procedimientos de análisis del aliento en línea basados ​​en SESI -MS y en estudiar y reducir sistemáticamente otras fuentes de variabilidad que pueden generar confusión. ^[28]

El análisis del aliento se puede realizar con varias formas de espectrometría de masas, pero también existen métodos más simples para fines específicos, como el halímetro y el alcoholímetro .

• Cromatografía de gases-espectrometría de masas GC-MS
• Cromatografía de gases-espectrometría UV GC-UV
• Espectrometría de masas por reacción de transferencia de protones PTR-MS y PTR-TOF
• Espectrometría de masas con tubo de flujo de iones seleccionados (SIFT-MS)
• Espectrometría de movilidad iónica IMS
• Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier FTIR
• Espectroscopia Espectrometría láser
• Los sensores químicos individuales o conjuntos de sensores químicos funcionan como narices electrónicas .
• Ionización por electrospray secundaria SESI-MS

• Asociación Internacional para la Investigación de la Respiración (IABR)
• Revista de investigación sobre la respiración
• Iniciativa de respiración profunda
• Investigación sobre la respiración en Sinueslab