呼気ガス分析

呼気ガス分析は、呼気中に含まれる揮発性有機化合物（VOC）をモニタリングすることで、個人の臨床状態に関する情報を得る方法です。呼気は人体から自然に生成されるため、非侵襲的かつ無制限に収集できます。^[1]呼気中のVOCは、特定の病状（肺がん、喘息、慢性閉塞性肺疾患など）のバイオマーカーとなる可能性があります。その後、血中アルコール濃度検査などの数学的モデリングにより、呼気ガス濃度を血中濃度と関連付けることができます。^[2]呼気を収集して分析するために使用できるさまざまな技術があります。呼気に関する研究は何年も前に始まりましたが、現在のところ、病気の診断のための臨床応用は限られています。 [3]ただし、現在、大規模な実装研究が世界中で開始されているため、近い将来に状況が変わる可能性があります。 [ ^{4 ]}

ヒポクラテスの時代から、病気の診断を目的として呼気分析が行われていたことが知られています。例えば、糖尿病患者の呼気は甘い匂いがするのに対し、腎不全の人の呼気は魚のような匂いがすると考えられていました。^[5]アントニー・ラボアジエによって初めて、人間の呼気の純粋な匂いが、化学成分の体系的な分析に置き換えられました。現代の呼気検査の分野は、ノーベル賞受賞者のライナス・ポーリングが、人間の息は200種類以上のVOCを含む複雑なガスであることを実証した1971年に始まりました。 ^[6]その後、呼気中に3000種類以上のVOCが特定されています。^{[7]近年、多くの科学者が、疾患特有の}バイオマーカーを早期に特定することを目的として、呼気の分析に注目しています。肺がん^[8] 、COPD、頭頸部がん^[9]は、バイオマーカー検出の対象となる疾患の一部です。呼気分析は何年も前に始まったが、病気の診断に臨床応用されていない。これは主に、呼気採取手順とその分析の両方において、臨床検査の標準化が欠如していることによる。^{[10] [11] [12]}電子鼻 で判定されるいわゆる呼気指紋の使用は有望であり、肺がん、COPD、喘息を区別できるようである。^[13]また、喘息やCOPDのさまざまな表現型^[14]やその他の疾患^{[15]を検出できるようである。}

内因性揮発性有機化合物（VOC）は、正常な代謝活動の結果として、または病理学的障害のために人体体内で放出されます。それらは血流に入り、最終的には代謝されるか、呼気、皮膚からの排出、尿など を通じて排泄されます。

呼気分析の原動力は、 潜在的な疾患バイオマーカーの特定と定量化であると考えられます。さらに、正常な生理機能や薬力学の動的評価による医療診断や治療管理への将来的な応用も計画されています。

環境曝露の結果として体内に浸透する外因性VOC は、体内負荷を定量化するために使用できます。また、呼気検査は、同位体標識された前駆物質の摂取に基づいて行われることが多く、同位体標識された二酸化炭素や、潜在的に他の多くの代謝産物が生成されます。

しかし、呼気サンプル採取は、呼気中の揮発性物質の濃度に偏りを生じさせる多数の交絡因子があるため、標準化された手順からは程遠いものです。これらの因子は、呼気サンプル採取プロトコルと、肺のガス交換の基礎となる複雑な生理学的メカニズムの両方に関連しています。安静時であっても、呼気中の VOC 濃度は、研究対象の化合物の物理化学的特性に応じて、心拍出量や呼吸パターンなどの特定の生理学的パラメータによって大きく左右される可能性があります。

すべての要因の影響とその制御を理解することは、呼気サンプル収集の正確な標準化を達成し、対応する血中濃度レベルを正しく推定するために必要です。

呼気ガス濃度と血中濃度を関連付ける最も単純なモデルは、ファルヒ^{[16]によって開発された。}

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

ここで、は肺胞濃度を表し、測定された濃度に等しいと仮定される。これは、肺胞気中の不活性ガスの濃度が、混合静脈濃度 、物質固有の血液：空気分配係数、および換気灌流比に依存するという事実を表す。しかし、このモデルは、アセトン（分配係数 ）やイソプレン（分配係数 ）のような2つの典型的な物質を測定する場合には機能しない。^[17]${\displaystyle C_{A}}$${\displaystyle C_{\bar {v}}}$ ${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}}$ ${\displaystyle {\dot {V}}_{A}/{\dot {Q}}_{c}}$${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}=340}$${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}=0.75}$

例えば、呼気終末時の呼気中アセトン濃度の提案された平均値に体温での分配係数を掛けると、周囲に広がる（動脈）血中濃度の観測値を大幅に過小評価することになる 。さらに、健常者の中等度の運動負荷エルゴメーター負荷に関連するアセトン（および2-ペンタノンや酢酸メチルなどの他の高溶解性揮発性化合物）の呼気プロファイルは、上記の式で示唆される傾向から大幅に逸脱しているため、より洗練されたモデルが必要である。そのようなモデルは開発されている。^{[18] [19]}${\displaystyle 1\mu g/L}$${\displaystyle \lambda _{\text{b:air}}=340}$${\displaystyle 1mg/L}$

呼気ガス分析は多くの呼気検査で使用されます。

• 呼気一酸化窒素による喘息検出^[20]
• 血中アルコール検査^[21]
• 一酸化炭素中毒
• 慢性腎臓病（CKD）と糖尿病^[22]
• 糖尿病の検出
• 口臭の診断
• 水素呼気試験によるフルクトース吸収不良
• 尿素呼気試験によるヘリコバクター・ピロリ
• 肺がんの検出^[23]
• 内因性代謝プロセスの測定^[24]
• 水泳後の消毒副産物の吸収のモニタリング^[25]
• 臓器拒絶反応
• 禁煙

呼気は、さまざまな自家製および市販の装置を使用して収集できます。研究業界全体で VOC 分析に使用されている呼気収集ツールの例は次のとおりです。

• コーティングされたステンレススチール製キャニスター
• 潮汐空気コレクターの終了
• テドラーバッグ

これらのデバイスは、ガスサンプルを適切な分析機器に直接導入するための媒体として使用したり、特定の化合物を収集するために SPME ファイバーなどの吸収デバイスを配置する呼気ガスの貯蔵庫として使用したりできます。

呼気はオンラインで分析することも可能で、サンプルの準備や採取を必要とせずに人の代謝についての洞察を得ることができます。^[26]呼気のリアルタイム分析を可能にする技術には以下のものがあります。

• プロトン移動反応質量分析法 ( PTR-MS )
• 二次エレクトロスプレーイオン化質量分析法（SESI-MS）^[27]
• 選択イオンフローチューブ質量分析法（SIFT-MS）^[26]

呼気分析は交絡因子に対して非常に脆弱である。呼気をリアルタイムで分析すると、サンプルの取り扱いや操作に関連する潜在的な交絡因子が排除されるという利点がある。最近の取り組みは、SESI -MSに基づくオンライン呼気分析手順の標準化と、その他の交絡因子の変動源を体系的に研究し削減することに重点が置かれている。^[28]

呼気分析はさまざまな形式の質量分析法で行うことができますが、ハリメーターや飲酒検知器など、特定の目的のためのより簡単な方法もあります。

• ガスクロマトグラフィー質量分析法GC-MS
• ガスクロマトグラフィー-UV分光法 GC-UV
• プロトン移動反応質量分析法PTR-MSおよびPTR-TOF
• 選択イオンフローチューブ質量分析法SIFT-MS
• イオン移動度分光法IMS
• フーリエ変換赤外分光法FTIR
• レーザー分光法分光法
• 個々の化学センサーまたは化学センサーアレイは、電子鼻として機能します。
• 二次エレクトロスプレーイオン化SESI-MS

• 国際呼吸研究協会 (IABR)
• 呼吸研究ジャーナル
• 深呼吸イニシアチブ
• シヌスラブ呼吸研究