PLoS ONE: udåndingsluft Analyse for lungekræft Detection Brug Ion Mobility Spectrometry

Abstrakt

Baggrund

Konventionelle metoder til påvisning lungekræft herunder computertomografi (CT) og bronkoskopi er dyre og invasive. Der er således stadig et behov for en optimal lungekræft afsløring teknik.

Metoder

udåndingsluften på 50 patienter med lungekræft histologisk påvist ved bronkoskopiske biopsi prøver (32 adenocarcinomer, 10 planocellulært carcinomer, 8 småcellede carcinomer), blev analyseret under anvendelse ionmobilitetsspektronomi (IMS) og sammenlignet med 39 raske frivillige. Som en sekundær vurdering sammenlignede vi adenocarcinom patienter med og uden epidermal vækstfaktor receptor (EGFR) mutation.

Resultater Salg

et beslutningstræ algoritme kunne adskille patienter med lungecancer inklusive adenocarcinom, pladecellecarcinom og småcellet carcinom. Et 100-15 adskilt flygtige organiske forbindelser (VOC) toppe blev analyseret. Peak-2 noteret som n-dodecan hjælp af IMS-databasen var i stand til at adskille værdier med en følsomhed på 70,0% og en specificitet på 89,7%. Omfatter en afgørelse træ algoritme startende med n-dodecan en følsomhed på 76% og specificitet på 100% blev opnået. Sammenligning VOC toppe mellem adenocarcinom og raske, n-Dodecan var i stand til at adskille værdierne med en følsomhed på 81,3% og en specificitet på 89,7%. Fjorten patienter positive for EGFR mutation viste en signifikant højere n-Dodecan end for de 14 patienter negative for EGFR (p 0,01), med en følsomhed på 85,7% og en specificitet på 78,6%

Konklusion

.

i denne prospektive undersøgelse, VOC peak mønstre ved hjælp et beslutningstræ algoritme var nyttige i påvisning af lungekræft. Desuden n-Dodecan analyse fra adenocarcinom patienter kan være nyttigt at skelne EGFR mutation

Henvisning:. Handa H, Usuba A, Maddula S, Baumbach JI, Mineshita M, Miyazawa T (2014) udåndingsluft Analyse for Lung Cancer Detection Brug ionmobilitetsspektronomi. PLoS ONE 9 (12): e114555. doi: 10,1371 /journal.pone.0114555

Redaktør: Francisco Renán Aguayo, University of Chile, Chile

Modtaget: 11. juli, 2014 Accepteret: 11. november 2014 Udgivet: 9. december 2014

Copyright: © 2014 Handa et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Data Tilgængelighed:. Det forfattere bekræfter, at alle data, der ligger til grund resultaterne er fuldt tilgængelige uden restriktioner. Alle relevante data er inden papiret

Finansiering:. Denne undersøgelse blev støttet af Japan Society for fremme af videnskab og ved tilskud-in-Støtte til videnskabelig forskning (20410061, 24.800.068). Dr. Baumbach blev støttet af Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Tyskland) inden for Collaborative Research Center (Sonderforschungsbereich) SFB 876 “give oplysninger af Resource-Constrained Analysis”, projekt TB1 “Ressource-Constrained Analyse af spektrometri data”. De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:. Forfatterne har følgende konkurrerende interesser: Drs. Baumbach og Maddula var medarbejdere i B S Analytik GmbH indtil 2013 og Baumbach er aktionær i B S Analytik GmbH. Der er ingen konflikter for rådgivning, patenter, produkter i udvikling, eller markedsførte produkter. Forfatterne bekræfter, at denne beskæftigelse ikke ændrer deres tilslutning med hensyn til PLoS ONE politikker på datadeling og materiale.

Introduktion

For nylig National Lung Screening Trial hold rapporterede, at screening med lav dosis beregnet (CT) reducerede dødeligheden af ​​lungekræft med omkring 20%. Lavdosis CT er en vigtig screeningtest; men det er dyrt, og der er risici forbundet med stråling. På den anden side, ånde analyse er let at bruge og strålingsfri. Gaskromatografi og massespektrometri (GC /MS) [1] – [2] og kemisk sensor matricer: kvarts-mikrovægt [3], akustisk overfladebølge [4], carbon-polymer array [5], kolorimetrisk sensor [6], single-walled carbon nanorør [7] og guld nanopartikler [8], kan detektere flygtige organiske forbindelser (VOC) i lungekræft fra human ånde. Desuden har hunde duft fokuseret på diagnose af lungecancer [9] – [10].

ionmobilitetsspektronomi (IMS) med multi-kapillarkolonne (MCC), et pust analyseindretning, kan detektere specifikke VOC i patienter med lungekræft [11]. IMS /MCC kan detektere en meget lav koncentration af VOC (normalt i ppbv- at PPTV-range, pg /L til ng /L-serien) på mindre end 8 minutter i alt analysetid og er overlegen i forhold til GC /MS som det kan anvendes på sengen stedet og direkte prøvetagning kan tages uden forberedelse [11] – [21]. I Europa, 550 MBq β-strålingskilder er acceptable; dog, for det japanske marked, bestemmelser begrænser

63Ni β-strålingskilder til under 100 MBq. Derfor vil der i denne undersøgelse blev en 95 MBq ß-ioniseringskilde anvendes. Det oprindelige formål med denne undersøgelse er at bekræfte reproducerbarheden af ​​IMS /MCC resultater (ved hjælp BioScout: B S Analytik, Dortmund, Tyskland). For en japansk befolkning

Kemoterapi af lungekræftpatienter afhænger performance status, histologiske træk, tumor staging og molekylære karakteristika. Tidligere har 2 narkotika kombination kemoterapi, herunder platin udført som en første-linie behandling til patienter med fremskreden ikke-småcellet lungekræft (NSCLC) betragtes som en enkelt sygdom på trods af sin histologiske og molekylære heterogenitet. Men for nylig, opdagelsen af ​​molekylære anormaliteter såsom epidermal vækstfaktorreceptor (EGFR) mutation, og nye midler, såsom EGFR-tyrosinkinaseinhibitoren ændrede behandling af NSCLC. Disse førte NSCLC behandling til den personlige terapi. Forskelle i histologiske type og genetiske ændringer er de vigtigste faktorer i beslutningen af ​​aktuelle lungekræft behandling. Det andet formål med denne undersøgelse er at bekræfte, om VOC mønstre er i stand til at opdage histologisk bekræftet lungekræft, og driver mutationer såsom EGFR mutation.

Metoder

Breath analyse ved hjælp af en ionmobilitetsspektrometer ( IMS) blev tilfældigt udført i raske frivillige og patienter med lungekræft på St. Marianna University School of Medicine fra den 1. september 2011 til 14. januar 2013. i alle patienter med lungekræft, blev udåndingsprøverne indsamlet før bronkoskopi. Den etiske komité St. Marianna University School godkendt denne undersøgelse og skriftligt informeret samtykke blev opnået fra alle fag (No1820). Denne undersøgelse blev registreret med University Hospital Medical Information Network Clinical Trial Registry (Umin-CTR) (UMIN000006696, 000.008.328).

udåndingsluften af ​​50 patienter (31 mænd, 19 kvinder), med lungekræft bekræftet histologisk ved bronkoskopiske biopsiprøve blev sammenlignet med 39 raske frivillige (25 mænd, 14 kvinder). Gebyr historier af forsøgspersoner blev målt ved hjælp af pakke-år

ionmobilitetsspektronomi (IMS)

IMS (BioScout, B S Analytik, Dortmund, Tyskland). Kombineret med en multi-kapillarkolonne ( MCC, type OV-5, Multichrom Ltd, Novosibirsk, Rusland) og koblet til et spirometer (Ganhorn Medizin Electronic, Niederlauer, Tyskland), som CO2-kontrolleret prøve indløb enhed blev anvendt. Tabel 1 viser karakteristika ionmobilitetsspektrometer

De store parametre for ånde analyse er tidligere blevet sammenfattet [11] – [21]. Og vil blive diskuteret her i korte træk. IMS refererer til detektering af ioner dannet ud fra analyse ved omgivelsernes tryk inden for et driftrør. Udtrykket ionmobilitetsspektronomi henviser til den metode karakterisering analyse i gasser ved deres gasfase ion mobilitet. Normalt drifttiden af ​​ion sværme, dannet ved anvendelse af egnede ionisering kilder derefter passerer gennem elektriske skodder, måles. Ion mobilitet til analyse kan tilvejebringe et middel til detektion og identifikation af dampe. Forskydningen hastighed er relateret til den elektriske feltstyrke ved mobilitet. Derfor mobilitet er proportional med den omvendte drift tid, som måles ved en fast afdrift længde. IMS kombinerer både høj følsomhed og forholdsvis lavt teknisk udgift med en højhastigheds-datafangst. Den tid til at anskaffe et enkelt spektrum er i området fra 10 ms til 100 ms. Således IMS er et instrument egnet til proceskontrol, men på grund af forekomsten af ​​ion-molekyle-reaktioner og forholdsvis dårlig opløsning af de arter, der er dannet, er det generelt ikke til identifikation af ukendte forbindelser. Sammenlignet med massespektrometri, den gennemsnitlige frie vejlængde af ionerne er meget mindre som dimensionerne af instrumentet. En ion dannet har et højt antal kollisioner med bæregas molekyler på afdrift vej mod Faraday-plade. på grund af de høje vakuumbetingelser i massespektrometri, en ion dannet vil der imidlertid normalt ingen kollision med andre molekyler under drift. I den lille tid kløften mellem kollisionerne ion får energi fra det ydre elektrisk felt og mister energi ved den næste kollision processen. Derfor vil en temmelig konstant drift hastighed nås. Derfor en ion sværm drivende under sådanne betingelser oplever en separationsproces, der er baseret på forskellige afdrift hastigheder af ioner med forskellig masse eller geometriske strukturer. Indsamling af disse ioner på en Faraday-plade leverer en tidsafhængig signal svarende til mobiliteten af ​​de ankommende ioner. En sådan ion mobilitet spektrum indeholder oplysninger om karakteren af ​​de forskellige forbindelser til stede i prøven gas.

Sammenlignet med andre analysemetoder, IMS har en betydeligt stor information tæthed med komparativ lav byrde i vægt, kraft og størrelse. Der er naturligvis andre analyseteknikker, som indeholder meget større information tæthed som massespektrometri. Andre teknikker er mindre og mere økonomisk på magt som overfladebølgefiltre sensorer. IMS viser sin specificitet afhængig af ion størrelse, kemi og natur af prøven. Det kan være meget høj, gennem en kombination af drifttiden og ionisering egenskaber. Når det er altid muligt, er bindestreg GC-IMS foretrækkes. I sig selv IMS er overlegen i forhold til MS og GC med hensyn til forsyningsselskaber, gasforbrug, kræves ingen vakuum og relativt lave effektbehov.

For spektrometri, en 95 MBq

63Ni ß-stråling kilde blev anvendt til ioniseringen af ​​bæregas (syntetisk luft). Almindelighed er det samlede antal ioner dannet er lidt lavere ved anvendelse af 95 MBq forhold til 550 MBq. Som følge heraf vil det samlede antal ioner med reaktanten iontop i syntetisk luft mindske det lineære område marginalt. For ansøgning tilfælde som ånde analyse meste arbejder på detektionsgrænser for analyse, forekomsten af ​​analysen spiller en større rolle end det lineære område. Som vist senere i dette dokument, er magten forskelsbehandling og sporbarhed af analyserne i udåndingsluften ikke påvirket af forskellen i aktivitet ionisering kilde.

spektrometer blev forbundet til en polær MCC, der fungerede som en præ-separationsenhed. For MCC blev analyserne af udåndingsluften sendt gennem 1000 parallelle kapillærer, hver med en indvendig diameter på 40 um og en filmtykkelse på 200 nm. Den samlede diameter delingssøjlen var 3 mm.

udåndingsluften af ​​emner blev taget direkte gennem spirometer ved hjælp af en standard mundstykke, der indeholder en ultralydssensor uden at registrere de 500 ml døde volumen på udløb. Indholdet af en 10 ml prøve loop blev tilsat til indløbet af MCC og transporteres til IMS, som blev direkte forbundet til ionisering region efter forbehandling separation. MCC og afdrift rør blev holdt ved 40 ° C. Luftfartsselskabet og glider gas, der anvendes var syntetisk luft (Nippon Megacare, Tokyo, Japan)

Statistisk analyse

Toppene blev karakteriseret ved hjælp af Visual Nu 2,2 software (B S Analytik, Dortmund Tyskland). [14], [22] – [25]. Alle toppe fundet blev karakteriseret ved deres position med drift tid (tilsvarende 1 /K

0-værdi) og retentionstid, og deres koncentration i forbindelse med tophøjde (tabel 1). Nærmere oplysninger om dataanalyse procedure blev realiseret på grundlag af de metoder, der er beskrevet i detaljer tidligere [15], [22] – [26] og sammenfattet her [27] -. [31]

For de forskellige grupper, og hver af toppene blev Box-og-Whisker plot genereret. Den rang sum blev leveret af Wilcoxon-Mann-Whitney test med Bonferroni korrektion. Visuel Nu 2.2 blev brugt til at rangordne toppe med den største forskel mellem grupperne

Forholdet mellem toppene findes i BioScout og analysen blev realiseret ved sammenligning i det Visual nu Version 110.801 database (B . S Analytik, Dortmund, Tyskland), opnået ved målinger tidligere [11], der er beskrevet, [32] – [34]. I nærværende papir, blev toppe korreleret med den nærmeste analyse fra referencedatabasen og sammenlignet med den aktuelle position af toppen.

Resultater

Alle lungekræft blev histologisk påvist ved bronkoskopiske biopsiprøver. I 28 patienter, transbronkial biopsi i perifere lungelæsioner ved hjælp af både endobronkial ultralydsscanning med guide-kappe og virtuel bronkoskopisk navigation blev bekræftet. I 22 patienter, kunne centralt beliggende tracheobronchial læsioner direkte bekræftet. De typer af lungekræft var: 32 adenocarcinomer, 10 planocellulært karcinom og 8 små celle karcinom. Af 32 patienter med adenocarcinom, blev 14 fundet at være positiv for EGFR mutation, 14 var negative for EGFR mutation og 4 patienter var positive for anaplastisk lymfom kinase (ALK) fusion. Lungekræft TNM mellemstationer viste: fase 1 = 13 patienter, stadie 2 = 6 patienter, stadie 3 = 8 patienter og stadie 4 = 23 patienter. Syv af 39 raske frivillige og 33 af 50 patienter med lungekræft havde rygning historier (tabel 2).

I alt 115 forskellige toppe blev sammenlignet med hensyn til adskillelsen effekt i patienter med lungecancer og raske frivillige (fig. 1). Ti VOC toppe blev identificeret med signifikans højere end 95% (p 0,01) hos patienter med lungecancer. Af disse er peak-2, som har den stærkeste VOC peak, noteres som n-dodecan hjælp af IMS-databasen og var i stand til at adskille værdier med en følsomhed på 70,0% og en specificitet på 89,7%. De 9 andre VOC toppe blev også identificeret ved anvendelse af databasen (tabel 3). Desuden, ved hjælp af et beslutningstræ algoritme med n-dodecan som udgangspunkt, en følsomhed på 76%, specificitet 100%, PPV 100% og NPV af 76,4% blev registreret (fig. 2).

et 100-15 VOC toppe blev påvist med ionmobilitetsspektronomi hos patienter med lungekræft og raske frivillige. Vejviser

Sammenligning VOC toppe mellem adenocarcinom og raske, 11 VOC toppe blev fundet at have betydning højere end 95% (p 0,01) og n-dodecan (peak-2) var i stand til at adskille værdier med en følsomhed på 81,3% og en specificitet på 89,7% (fig. 3). Derudover 14 lungeadenocarcinom patienter positive for EGFR mutation udviste en signifikant højere n-dodecan VOC peak end for 14 lungeadenokarcinom patienter negative for EGFR mutation uden 4 patienter positive for ALK-fusion (p 0,01), med en følsomhed på 85,7% . og en specificitet på 78,6% (. figurerne 4 og 5)

Peak 2 var signifikant højere hos patienter med lungecancer (p 0,001). Boksen repræsenterer de 25. og 75. percentiler, de knurhår repræsenterer området, og foret kasse repræsenterer medianen, mens cirkler repræsenterer middelværdien. Lungeadenokarcinom patienter viste en signifikant højere n-Dodecan VOC peak end raske frivillige og n-Dodecan VOC peak kunne adskille værdierne med en følsomhed på 81,3% og en specificitet på 89,7%.

Fjorten patienter med EGFR mutation viste en signifikant højere n-dodecan højdepunkt med en følsomhed på 85,7% og en specificitet på 78,6% (p 0,01). end i 14 adenocarcinom patienter uden EGFR-mutation

Sammenligning VOC toppe mellem pladecellecarcinom og den sunde gruppe blev 11 VOC toppe fundet at have betydning højere end 95% og peak-69 var i stand til at adskille den bedste værdi med en følsomhed på 97,4 og en specificitet på 60,0% (p 0,001) . Sammenligning VOC toppe mellem småcellet karcinom og raske forsøgspersoner, peak-6 viste sig at være betydeligt højere end 95% (p 0,01) med en følsomhed på 97,4% og en specificitet på 50,0%. Derudover kunne et beslutningstræ algoritme adskille histologiske typer af lungekræft og raske frivillige (fig. 6).

Diskussion

I denne prospektive undersøgelse, VOC peak mønstre ved hjælp af en beslutning træ algoritme var nyttige til påvisning af lungekræft. Vi fandt, at nogle VOC toppe vises signifikante forskelle mellem patienter med adenocarcinom, pladecellecarcinom, småcellet carcinom og raske frivillige. Desuden er nogle VOC toppe positive for EGFR mutation viste signifikante stigninger, især n-dodecan top, som var den mest værdifulde biomarkør. forventes at være en vigtig udsivningsdetektionsmåling for lungekræft VOC-analyse under anvendelse IMS. Så vidt vi ved, er dette den første undersøgelse der viser, at n-dodecan-analyse fra adenocarcinom patienter kunne være nyttigt at diskriminere for EGFR mutation.

VOC-analyse af lungecancer under anvendelse af GC /MS har været omfattende anvendt siden 1985 . i GC /MS blev nogle VOC-modeller til at analysere betydningen, med en sensitivitet og specificitet på 54 til 100% og 67 år til 100%, henholdsvis [35]. Westhoff et al. var den første til at rapportere VOC analyse for lungekræft ved hjælp IMS. Han rapporterede, at 23 VOC toppe fra udåndingsluft kunne adskille lungekræft og en sund kontrol, upåvirket af rygevaner [11]. spektrometri teknologier, der anvender ånde prøvetagning blev dog påvirket af omgivende forhold, oral lugt og ernæring. Direkte luftveje prøvetagning under bronkoskopi var ubetydelig til oral lugt og nogle VOC toppe viste signifikante forskelle mellem lungerne tumor og den normale hjemmeside. Desuden er nogle VOC toppe, 2-butanol, 2-methylfuran og n-nonanal, vist sig nyttige til separat adenocarcinom og pladecellecarcinom [36] – [37]. For lunge adenocarcinom, blev n-Dodecan sig at være en vigtig VOC top for både ånde analyse og bronkoskopisk prøvetagning og blev rapporteret til at være forbundet til patienter med lungekræft [36] – [37].

Det er kendt at Østasiatisk NSCLC patienter har højere forekomster af EGFR mutation [38] – [40]. Driver-mutationer, herunder EGFR, har fokuseret på lungekræft og andre maligne tumorer [41] – [43]. EGFR mutation har en højere forekomst end andre driver mutationer i lungekræft og er følsom over for EGFR-tyrosinkinaseinhibitoren. Resultaterne af denne undersøgelse viser, at lungeadenokarcinom positive for EGFR mutation tendens til at øge intensiteten af ​​nogle VOC toppe ved hjælp IMS. EGFR kan have en specifik metabolisme, der kan producere forskellige VOC’er. Påvisning af EGFR mutation behov kirurgiske eksemplar, bronkoskopiske eller CT-vejledt nål biopsi væv, bronkial skyllevæske og pleural effusion med tumorceller. En tidligere undersøgelse rapporteret udåndingsluft kondensat kunne evaluere EGFR mutation. Det var dog stadig vanskeligt at påvise EGFR mutationer i udåndingsluft kondensat fordi cellulære komponenter præsenteret i udåndingsluft kondensat ikke er repræsentative for tumoren [44] – [45]. Analysen af ​​VOC mønstre, herunder et beslutningstræ algoritme kan være nyttigt at detektere EGFR mutation udsendes fra lungekræft cellelinier i fremtiden.

Denne undersøgelse havde nogle begrænsninger. Først stikprøvestørrelsen var lille og der kræves større undersøgelser prøve. Selv er behov for flere patient udåndingsprøverne at overvinde potentielle problemer med statistiske undersøgelser, i tidligere litteratur stikprøvestørrelser til ånde analyse havde været mindre i forhold til den nuværende undersøgelse [36] – [37]. Udover det store spørgsmål for at få flere udåndingsprøverne af patienter end toppe at overvinde potentielle problemer med statistiske undersøgelser i almindelighed, var her 89 prøver undersøgt og 115 toppe blev fundet. For det andet kan VOC’er i patienter med lungekræft blive påvirket af rygning historie. Det skal bemærkes, såfremt forskellene ikke var relateret til tobaksrygning i lungekræftpatienter, som blev behandlet i detaljer af Westhoff et al. [11] viser, at i begge grupper, herunder et større antal rygere og ikke-rygere den differentiering ved hjælp ionmobilitetsspektronomi var vellykket. For de undersøgte IMS i denne undersøgelse molekyler, forskellene var uafhængige af rygning status og betydning for begge grupper. I undersøgelsen af ​​Westhoff et al. [11]. der var ingen database til at identificere analysen. For nylig Darwiche et al. [36] viste ved sammenligning af målinger, der tager prøver af luft fra den samme patient på kræft stedet og ikke-cancer stedet under bronkoskopi, konstaterede forskelle var relateret til det sted prøven blev taget, direkte over kræftceller eller på den anden lunge webstedet . For det tredje, i overensstemmelse med japanske forskrifter, begrænsninger af

63Ni β-strålingskilder på under 100 MBq er blevet indstillet for denne japanske pilotundersøgelse, som er lavere end de europæiske restriktioner. de nuværende undersøgelsens resultater viser imidlertid, at IMS med et 95 MBq β-stråling kilde kunne skelne mellem raske frivillige og patienter med lungekræft med succes. Derfor opretter en database for den asiatiske befolkning i forhold til VOC toppe og stoffer kan være påkrævet,. I fremtidige studier, er multicenterforsøg bruger IMS nødvendige for at analysere lungekræft.

Tak

Forfatterne vil gerne takke Mr. Jason Tonge for manuskriptet forberedelse.