Анализ состава выдыхаемого человеком воздуха для диагностики галитоза

Анализ состава выдыхаемого человеком воздуха для диагностики галитоза

С. А. Тараканов, М. Д. Подольский, А. А. Трифонов, В. С. Гайдуков

Введение

Галитоз (признак патологических состояний организма, в частности, полости рта, которые сопровождаются неприятным запахом изо рта) является крайне распространенным явлением, которое не только оказывает существенное влияние на социальную жизнь человека, но и является симптомом большого количества заболеваний, как стоматологических, так и системных. Распространенность галитоза у населения Европы достигает 5065%. В США галитозом страдает 30% населения, на борьбу с этим состоянием тратится около 10 миллиардов долларов в год [1].

Неприятный запах изо рта имеет множество причин, таких как прием определенной пищи, синдром сухости во рту (ксеростомия), заболевания околозубных тканей (пародонта). Как правило, первый специалист, к которому обращаются люди, страдающие галитозом, - это стоматолог. Не смотря на то, что в основном галитоз вызывается стоматологической патологией, профессиональная гигиена и санация полости рта не всегда дает ощутимый результат. В таких случаях причину галитоза следует искать в других органах и системах. Список заболеваний, признаком которых является галитоз, включает инфекции полости носа и дыхательных путей, хронические воспаления придаточных пазух носа, нарушения функции почек и печени, патологические состояния желудочно-кишечного тракта (токсины, образующиеся в кишечнике при нарушениях процессов пищеварения, всасываются в кровеносное русло и экскретируются через легкие). Хронические неспецифические заболевания легких также могут провоцировать появление неприятного запаха. А одним из ключевых

признаков галитоза является ксеростомия, возникающая при эмоциональных перегрузках (стресс, нервное напряжение).

В настоящее время научно-технический прогресс открывает все новые пути диагностики различных заболеваний, и одним из перспективных способов может стать анализ состава выдыхаемого воздуха, что позволит оценить функциональное состояние организма пациента стоматолога и направить его по результатам исследования к соответствующим специалистам.

Оценка состава выдыхаемого воздуха

Молекулярный состав выдыхаемого человеком воздуха включает не менее 600 летучих и нелетучих соединений. Они, также как кровь и другие биологические продукты жизнедеятельности, содержат информацию о функциональном состоянии человеческого организма в силу естественных химических трансформаций поступающих из окружающей среды во внутренние органы молекул воздуха и пищи. Было установлено, что около 20 наиболее чувствительных к изменению функционального состояния организма молекул выдыхаемого воздуха могут применяться как естественные биомаркеры (объекты диагностики) ряда заболеваний [2, 3].

В список диагностически значимых молекул-биомаркеров, посредством анализа концентрации которых можно сделать вывод о наличии внутриорганных поражений, являющихся причинами галитоза, входят:

• кислород (02) - хронические обстуктивные болезни легких, пневмофиброз;

• углекислый газ и его изотопические модификации, окись углерода (СО2, 12СО2, 13СО2, СО) - прохождение пищи через желудочно-кишечный тракт, дисфункции поджелудочной железы, инфекции дыхательных путей;

• окись азота, диоксид азота (N0, N0^ - инфекции верхних дыхательных путей, ринит, рак органов пищеварения, тяжелый сепсис,

хронические инфекционные воспалительные процессы (гастрит, гепатит, колит);

• аммиак (NH3) - токсические поражения почек, недостаточность печени при желтухе, гепатите, циррозе печени, рак легкого.

В данной статье авторы проводят обзор методов неинвазивной оценки функционального состояния организма человека газоаналитическим оборудованием путем анализа молекул выдыхаемого воздуха, являющихся наиболее информативными показателями в диагностике галитоза. Методы анализа состава выдыхаемого воздуха

Для регистрации качественного и количественного составов выдыхаемого воздуха в настоящее время нашли широкое применение методы, основанные на использовании электрохимических и оптических датчиков, инфракрасных спектрометров, а также масс-спектрометров.

Электрохимические датчики [4] предназначены главным образом для анализа углекислого газа и ограничены диапазоном рабочих концентраций от 0,1 х 10-6 до 100 х 10-6. Принцип работы устройства на основе таких датчиков базируется на химической реакции анализируемого газа с электролитом, приводящей к возникновению заряженных ионов и электрического тока. Величина электрического тока пропорциональна концентрации анализируемого компонента в пробе. Устройство отличает надежность и простота. Слабыми сторонами являются невысокая чувствительность и недостаточная селективность анализа. Кроме того, срок службы электрохимических сенсоров невелик, что требует постоянной замены, как правило, каждые 2 года.

Оптические датчики [5] основаны на зависимости ряда оптических свойств среды, как, коэффициент преломления, коэффициент отражения, от концентрации кислорода. Такие датчики обладают лучшей чувствительностью и селективностью по отношению к электрохимическим датчикам. Но при наличии в выдыхаемом воздухе веществ с совпадающими

спектральными характеристиками проблема точного измерения качественного и количественного составов исследуемой среды остается актуальной. Кроме того, конструктивные и функциональные особенности электрохимических и оптических датчиков не позволяют точно оценивать концентрацию химических соединений выдыхаемого воздуха помимо кислорода и углекислого газа.

В инфракрасной спектроскопии [6, 7] исследуется зависимость коэффициента пропускания излучения в инфракрасной области от содержания в ней определенного газа. Недостаток метода в его невысокой чувствительности, которая составляет не более 0,1 х 10-6.

По мнению авторов статьи, наиболее актуальным среди затронутых представляется метод масс-спектрометрии [8]. В медицинской практике сегодня активно используются методы анализа потребления кислорода и выделения углекислого газа. Но для проведения комплексной оценки функционального состояния человеческого организма в целях точного выявления очага галитоза требуется измерение в выдыхаемом воздухе концентраций таких соединений, как окись азота, диоксид азота, аммиак помимо кислорода и углекислого газа. Эти молекулы составляют десятые и сотые от единицы процентного содержания воздуха (концентрация менее 1 х 10-6). При анализе таких соединений сталкиваются с определенными сложностями. Метод измерения столь малых концентраций должен быть высокочувствительным, точным в детектировании, быстродействующим, обеспечивающим селективность детектирования. Таким образом, по данным различных исследований подход на основе масс-спектрометрии претендует на роль высокоэффективного метода анализа выдыхаемого воздуха благодаря высокой точности, селективности детектирования и чувствительности вплоть до 1 х 10-9 [9].

В основе масс-спектрометрической системы лежит магнитная ионно-оптическая установка, работающая по следующему принципу. Исследуемая проба вводится в вакуумный ионизатор, где подвергается бомбардировке

электронного пучка, движущегося от катода к аноду. Под воздействием электронов образуются ионы молекул анализируемого вещества, которые далее, через специальную щель, направляются на электростатический конденсатор, ускоряющий и направляющий их движение к магнитному полю, также преломляющему пучок. Величина преломления в магнитном поле зависит от отношения массы иона к его заряду, поэтому на выходе пучка ионов из магнитного поля установлены детекторы, определяющие молекулу и ее концентрацию. Так как выдыхаемый воздух имеет многомолекулярный состав, каждый из ионов отдельно взятой молекулы воздуха будет иметь свою собственную уникальную траекторию движения в ионно-оптической установке.

С последним методом оценки выдыхаемого воздуха связана проблема громоздкого оборудования для проведения исследования. Изучение состава воздуха, как правило, проводят в химической лаборатории на пробах, полученных на приеме у врача либо при кардиопульмональном нагрузочном тестировании [10]. То есть для проведения анализа необходима дополнительная индустрия сбора, транспортировки, хранения и утилизации образцов.

В настоящее время авторы статьи решают задачу разработки портативного масс-спектрометра, способного проводить анализ выдыхаемого воздуха в режиме времени, приближенного к реальному. Основной упор направлен на высокоточное измерение концентраций кислорода, углекислого газа, окиси азота, двуокиси азота, ацетона, которые являются первостепенными естественными биомаркерами заболеваний, признаком которых является галитоз.

Система измерения портативного масс-спектрометра реализуется по следующей схеме (рис. 1):

Рис. 1. - Блок-схема масс-спектрометрической системы В состав разрабатываемого масс-спектрометрического прибора входит вакуумный пост с двухступенчатой системой откачки, система ввода газов и летучих соединений, магнитный статический масс-спектрометр, оснащенный источником с электронной ионизацией, блок электроники и пакет программного обеспечения. Предусмотрен прямой ввод газовой пробы через капилляр либо ввод пробы через мембранную систему с возможностью варьирования параметров введения образца. Управление системой осуществляется с помощью компьютера через последовательный или USB порт.

Точное определение состава и концентрации конкретных молекул требует выполнения серии экспериментов на образцах по причине того, что каждый из ионов имеет уникальную траекторию движения в портативном масс-спектрометре. Результаты измерений для кислорода и углекислого газа, полученные на этапе тестирования прибора, представлены на рис. 2.

Регистрация процесса дыхания при введении газовой пробы через мембранную систему дает более точные результаты по сравнению с прямым вводом исследуемого образца через капилляр.

1

Время, с

Рис. 2. - Результаты мониторинга процесса дыхания при введении газовой пробы через мембранную систему

Таким образом, предлагаемый подход на основе портативного масс-спектрометра показывает на этапе разработки прибора достаточную точность для выявления содержания кислорода и углекислого газа в процессе дыхания, но требуется усовершенствование системы ввода проб и масс-анализатора для точного определения других важных биомаркеров заболеваний, напрямую связанных с галитозом.

Заключение

Метод, основанный на масс-спектрометрах, позиционируется в практике функциональной медицины как наиболее подходящий для анализа содержания выдыхаемого человеком воздуха, так как позволяет обеспечить высокую точность измерения и селективность детектирования в условиях малых концентраций диагностически значимых молекул-биомаркеров. Разработка и усовершенствование портативного масс-спектрометрического анализатора устранит необходимость в специализированных лабораториях при проведении исследований выдыхаемого воздуха. Таким образом,

пациент сможет непосредственно на стоматологическом приеме узнать собственное функциональное состояние, главным образом, причину галитоза, связанную с заболеваниями внутренних органов и систем.

Литература:

1. Хабибрахманова Н.П. В поисках свежего дыхания // Сестринское дело. - 2007. - № 2. - С. 36-38.

2. Степанов Е.В. Методы высокочувствительного газового анализа молекул-биомаркеров в исследованиях выдыхаемого воздуха // Труды института общей физики им. А.М. Прохорова. - 2005. - Т. 61. - С. 1-47.

3. Сергиенко Д.В., Петров В.В., Мясоедова Т.Н., Коробкова А.И. Разработка технологии получения высокочувствительных газовых сенсоров на основе оксида циркония для гибридных сенсорных систем [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1362 (доступ свободный) -Яз. рус.

4. Arenas R.V., Carney K.R., Overton E.B. Portable, multigas monitors for air quality evaluation. Part 1. Principles of detection // Amer. Lab. - 1992. -Vol. 24. - P. 17-28.

5. Navas M.J., Jimenez A.M., Asuero A.G. Human biomarkers in breath by photoacoustic spectroscopy // Clinica Chimica Acta. - 2012. Vol. 413. - P. 1171-1178.

6. McCurdy M.R., Bakhirkin Y., Wysocki G. et al. Recent advances of laser-spectroscopybased techniques for applications in breath analysis // Journal of Breath Research. - 2007. - Vol. 1. - № 1. - 12 p.

7. Arslanov D.D., Spunei M., Mandon J. et al. Continuous-wave optical parametric oscillator based infrared spectroscopy for sensitive molecular gas sensing // Laser & Photonics Reviews. - 2013. - Vol. 7. - № 2. - P. 188-206.

8. Van den Velde S., Van Steenberghe D., Van Hee P., Quirynen M. Detection of Odorous Compounds in Breath // Journal of dental research. - 2009. Vol. 88. - № 3. - P. 285-289.

9. Martin A. N., Farquar G. R., Jones A. D., Frank M. Human breath analysis: methods for sample collection and reduction of localized background effects // Analytical and Bioanalytical Chemistry. - 2010. - Vol. 396. - № 2. - P. 739-750.

10. Леонова А.В., Зиновкин П.К., Болдырев Е.Б. Аппаратно-программный комплекс регистрации нагрузки для функциональной диагностики [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1130 (доступ свободный) - Яз. рус.