Method Article
Ammonia is an important physiologic metabolite relevant to various disease and wellness states. It is also a difficult molecule to measure in breath, which demands particular precautions be taken to obtain accurate results. Not all factors influencing ammonia are known, but progress can be difficult without accounting for these factors.
This exhaled breath ammonia method uses a fast and highly sensitive spectroscopic method known as quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) that uses a quantum cascade based laser. The monitor is coupled to a sampler that measures mouth pressure and carbon dioxide. The system is temperature controlled and specifically designed to address the reactivity of this compound. The sampler provides immediate feedback to the subject and the technician on the quality of the breath effort. Together with the quick response time of the monitor, this system is capable of accurately measuring exhaled breath ammonia representative of deep lung systemic levels.
Because the system is easy to use and produces real time results, it has enabled experiments to identify factors that influence measurements. For example, mouth rinse and oral pH reproducibly and significantly affect results and therefore must be controlled. Temperature and mode of breathing are other examples. As our understanding of these factors evolves, error is reduced, and clinical studies become more meaningful. This system is very reliable and individual measurements are inexpensive.
The sampler is relatively inexpensive and quite portable, but the monitor is neither. This limits options for some clinical studies and provides rational for future innovations.
אמוניה היא תוצר לוואי נפוץ של חילוף חומרים של חלבון 1. מדידת אמוניה ולכן יכולה לעזור לרופאים להעריך מחלה שונות ומדינות בריאות 2. עם זאת, אמוניה קשה למדוד במדויק, באמצעות דם או נשימה, כי זה מאוד תגובתי. למרות שימוש נפוץ, יש מבחני דם רבים חסרונות, כוללים חששות בסיסיים על דיוק 3. אבל הבעיה העיקרית עם מבחני דם היא המציאות שהם היחידים שאי פעם נאספו episodically. זה חשוב כי הפיסיולוגיה אמוניה, בדומה לרמת סוכר בדם ותהליכים מטבוליים רבים אחרים, הן נזילות ומשתנה 4. לעומת זאת, מבחני נשימה באופן מלא לא פולשנית ומהיר, ובכך בקלות ומאפשרים צעדים חוזרים ונשנים. לפיכך, מדידת אמוניה נשימה היא אטרקטיבית משום שהוא עשוי לענות על צורך שלא סופקו רציני בדרך ייחודית.
אוסף נשימה, לעומת זאת, מציג את החששות ייחודיים. ואילו phlebotomy מטבע נושא את jeopardy של טעות במספר דרכים בלתי צפויות (לדוגמא, זמן חוסם עורקים, זיהום זיעה, המוליזה של תאי דם, עיכוב במדידת מעבדה, וכו '5), חוקרי מדידת נשימה צריך להתמודד עם קבוצה שונה של אתגרי רומן: השתנות בנשימה, זיהום ברירית פה או אמוניה חיידקים, השפעה של לחות באוויר ומכשירי סביבה וטמפרטורה, וכו '6. ואכן, זה לא חכם לזלזל במשימה בחיבור ציוד ניסיוני לבני אדם באמצעות הפרוצדורות לגלות ביולוגיה לא ידועה. בין שאר בשל המכשולים הללו, האמוניה נשימה עדיין לא פגשה את הפוטנציאל שלה.
בזאת, אנו מציגים פרוטוקול מדידת האמוניה הנשימה שלנו לתוצאות מהירות ומדויקות. יש הפרוטוקול שלנו יש כוח בשלושה תחומים: צג, סמפלר הממשק, ותשומת לב להשפעות האדם. הצג נבנה על ידי עמיתיו באוניברסיטת רייס כ7 שתוארו קודם לכן. הבסיס של מאהsurement היא ספקטרוסקופיה photoacoustic המשופרת קוורץ טכניקה (QEPAS) שמעסיקה קוורץ קולן פיזואלקטריים כמתמר אקוסטי. אפקט photoacoustic מתרחש כאשר גלים אקוסטיים המיוצרים על ידי קליטתם של קרינת לייזר מווסתת על ידי מיני גז עקבות יעד. גז העקבות הוא זוהה באמצעות תא אקוסטי שהוא בחינה אקוסטית תהודה לתדר מאופנן. אורך גל קליטה לאמוניה נבחר כי הוא חופשי מהפרעות רפאים מהתערבות מינים בנשימה. לצורך מדידת נשיפה האנושית, התכונות העיקריות של המוצר כוללות מגוון רחב מדידה (מ ~ 50 חלקים למיליארד, ppb לppb לפחות 5,000) ומהירות (מדידות 1 שניות). המהירות של הצג מאפשרת רזולוציה זמן לאורך כל מחזור הנשימה.
הצג מצמידים סמפלר נשימה במיוחד. סמפלר מורכב מחיישן לחץ וcapnograph. הוא מציג וארכיונים בזמן אמתמדידות של לחץ פה ופחמן דו חמצני, כמו גם ריכוזי האמוניה שנקבעו על ידי החיישן. סמפלר זה, אם כן, מאפשר לטכנאי כדי להעריך את האיכות של מאמץ הנשימה כמו הנשימה נאסף. זה מאפשר לנו לחרוג מההמלצות לניתוח תחמוצת חנקן נשימה (Fe NO) שהוצעה על ידי כוח המשימה של האגודה / חברת הנשימה האירופית האמריקנית בית החזה 8 (ATS / ERS). עבור כל דגימת הנשימה, בכיוון אחד שסתום בקו חד פעמי היה בשימוש ביציאת הפה של סמפלר הנשימה.
בגלל המהירות של הצג ובקרת האיכות המסופק על ידי סמפלר, היינו יכול להעריך בזהירות השפעות אדם 9. רוב הנבדקים, למשל, בתחילה להתנשף כשהורו לנשימה. השפעות חשובות נוספות, כגון pH ופה אוראליים שטיפות, טמפרטורות של סמפלר, הצג וכל צינורות הקשורים, ומצב של נשימה, היו אז למדו, ומהווה את הבסיס עבורr הניסויים להמחשה בהמשך.
לבסוף, ואולי הכי משמעותי, יש להדגיש שקבוצות מנוסים מאוד מרובות מדידת אמוניה נשימה באמצעות חיישנים שונים לגמרי ונהלי מדידה. ייתכן שיש להם יתרונות ותוקף חשובים. השוואה מלאה היא מעבר להיקף של 10,11,12 העבודה הנוכחי.
1. הכנת מכשירים
2. אוסף דוגמאות נשימה
הערה: מוסדי המועצה לביקורת הרלוונטית (אתיקה הלוח) צריכה לאשר כל מחקר שיש בו בני אדם. ישנם גורמים רבים שיכולים להשפיע באופן דרסטי אמוניה נשימה. גורמים אלה יכולים לשנות מדידות אמוניה נשימה ישירות על ידיffecting רמות אמוניה מערכתיות או על ידי המשפיע על המסע של מטבוליטים נשימה מהריאות למכשור.
3. מדידת מדגם נשימה
4. הממחיש את ההשפעות של פה יש לשטוף ו- pH על אמונית נשימה
5. ממחיש את ההשפעות של טמפרטורות כניסה והתחבורה אבובים באמונית נשימה
ניתן לצפות נושאים לייצר מגוון רחב של רמות אמוניה נשימה בסיסיות. אנשים בריאים יכולים להתחיל את היום עם מדידת אמוניה נשימה של 100-1,000 ppb. שטפתי את הפה עם כל נוזל מייד משנה את כמות האמוניה נשימה לזיהוי. נוזלים ניטראליים וחומצי בדרך כלל לחתוך את כמות האמוניה נצפית על ידי יותר ממחצית. רמות אלה ולאחר מכן לחזור לנקודת התחלה כמו את ההשפעות של השטיפה פגה. נראות את ההשפעות של מים כדי לפזר בתוך 15 דקות, בעוד חומצה יכולה לשמור אמוניה נשימה לגילוי למינימום במשך שעה 2. שטיפה בסיסית, כגון סודיום ביקרבונט, תהיה להכפיל או לשלש את כמות האמוניה נשימה לזיהוי לפני ההחזרה לנקודת התחלה על פני תקופה 20 דקות. יש לציין, מי חמצן לא נראה להשפיע אמוניה נשיפה יותר משטיפות אחרות; ולכן, זה לא נראה שחיידקים פה לתרום באופן משמעותי למדידת אמוניה נשימה.
כאמורבוב, סמפלר מצמידים את חיישן האמוניה מספק נתונים רציפים טכנאי יכול להשתמש כדי להעריך את איכות דגימת נשימה. לחץ פה ופחמן דו חמצני הם שני המאפיינים של נשיפה המשמשת לאימות דגימת נשימה. לחץ פה משמש כפונדקאי לזרימה של אוויר מהריאות לסמפלר. הטכנאי חייב לוודא שנושא הוא מתן מספיק זרימת אוויר מכתשיים, אשר מכילה את המטבוליט של עניין, לצג. טכנאים צריכים לצפות טווח לחץ פה נורמלי של 9-10.5 סנטימטר של מים. הנשיפה צריכה להיות יציבה למדי במהלך 10-20 שניות, אשר באה לידי הביטוי בסטיית התקן של לחץ פה. סטיית התקן של נשימה באיכות צריכה להיות תחת 1 סנטימטר של מים.
מדידת פחמן דו חמצני היא גם חשובה שכן הוא מאפשר הערכה מדוקדקת יותר של תהליך הנשיפה. במהלך השלב I, נשיפה היא יזמה את ההרכב של גז נשף מורכב מראשאוויר דומיננטי אנטומיים מת חלל (~ 21% חמצן, 0.03% פחמן דו חמצני, חנקן 78%, ו0.5% מים) כלומר., האוויר שנשם בשלב השאיפה של מחזור הנשימה הקודם. במהלך השלב השני, גז מכתשיים עובר לתוך השטח המת האנטומי ומתערבב עם אוויר שטח מת שיורית וכתוצאה מכך הריכוז של פחמן דו חמצני עולה במהירות. הריכוז של פחמן דו חמצני בנשימה נשף ממשיך לעלות, אם כי בקצב איטי יותר, במהלך נשיפת השלב III וערך השיא (סוף הריכוז של גאות ושפל) מתאים לריכוז של פחמן דו חמצני בדם ורידים. עלייה הדרגתית בריכוז פחמן דו חמצני בשלב III היא עקב הערבוב של גזי מכתשיים עם שארית אוויר השטח המת ובשל האטת התרוקנות שקי מכתשיים. ההרכב של נשימה בסוף השלב III הוא חמצן כ 13%, 5% פחמן דו חמצני, חנקן 78%, ו -4% מים. רמות דו תחמוצת הפחמן במהלך חלק שלב III של BREATH יכול לנוע 30-40 מ"מ כספית. שלב III מתאים למקום שבי רמות CO 2 אלה רמה (איורים 1 א '-D).
איור 1. דגימות נשימה המשלבות את חלק שלב III של נתונים נשימה לתנאים שונים. 1 א) מדגם נשימה טיפוסי המשלב את חלק שלב III של נתוני הנשימה. הקווים האנכיים הירוקים ואדום להגדיר את הטווח שבו הקו הוא להיות מנותח. החלקים הראשונים של הנשיפה הם התעלמו. 1b) השפעת שטיפת חומצי יש באמונית נשימה. המרה של NH 3 לNH 4 + באופן דרסטי מורידה את כמות האמוניה לזיהוי. ירידה בזרימת תוצאות בירידה של אמוניה מכתשיים בנשימה דגמה כפי שניתן לראות ב1c. זרימת ירד עושה not לאפשר כמה שיותר אוויר מכתשיים להיות שנדגמו. 1D) מדגם נשימה המשלב שלבי I, II ו-III. ההכללה של שלבי I ו-II בניתוח מורידה את האמוניה ופחמן דו חמצני במידה ניכרת. זוהי השתקפות מדויקת של אמוניה מערכתית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
רוב הנבדקים מסוגלים לייצר נשימה מקובלת בניסיון הראשון שלהם. עם זאת, כמה נושאים ידרשו חוזר של הנשימה. יתר על כן, כמו לחץ ופחמן דו חמצני נרשמים, אלה יכולים להיחשב גם בניתוח הנתונים.
היתרונות של הליך פולשני מסוגל לאתר מטבוליטים עקבות בזמן אמת הם מובן מאליו. עם זאת, תחום מחקר נשימה נאבק כדי לממש את הפוטנציאל הזה. מדידת נשימה היא תהליך דינמי פגיע לגורמים מבלבלים רבים. יש הגישה שלנו עוצמות חשובות: דיוק, הרגישות והמהירות של צג האמוניה מבוססת רייס QEPAS מצמידים סמפלר הנשימה, אפשרו לנו להעריך ולזהות גורמי אוסף נשימה רלוונטיים למדידה מדויקת. גישה זו היא אמינה מאוד: למשל, לאחר כמה ניסויים ראשוניים, כל אחת מהנקודות כמעט 500 בודדות נשימת נתונים שנאספו בניסויים אחרונים היה עולה בקנה אחד עם התוצאה הצפויה 9.
עד הגורמים השונים המשפיעים על אמוניה נשיפה הם הבינו טובים יותר, חשוב לספק להוראות יסודיות ואחידות לנושאים טרם הגעה. נכון לעכשיו, אנחנו בדרך כלל לבקש מנבדקיםמהר אחרי החצות לאיסוף בבוקר, לצחצח שיניהם גדולות מ 1 שעות לפני המצגת, ולהימנע מפעילות גופנית, עישון, או מילוי מכוניות עם דלקי נפט. למרות שאנחנו הערכנו מזון שונים משטרים הערב לפני איסוף נתונים (למשל, נמוכים סיבי נ 'עשירים בסיבים), לא נקבע כי נתונים משכנעים השפעות בסיס דיאטת בוקר של הבדיקה. אוספי בוקר גם למזער את ההשפעה של וריאציות יומי לכאורה, אשר נראו להתרחש מסיבות ידועות 13.
אולי יש שיטות לא פחות תקפות או מעולים אחרות לאוסף אמוניה נשיפה. זה אפשרי, למשל, ששטיפה סטנדרטית בנקודה לפני אוסף נשימת זמן מוגדר עלולה לגרום למדידה שימושית של אמוניה ברירית פה אשר עשוי גם לשקף את הרמות מערכתיות. נתיב נוסף עשוי להיות לנטוש את חלל הפה ולמדוד אמוניה באף או שניהם 10,14. גישה השנייה זה יכול לייתר את הצורך עבורr סמפלר הממשק. בכל מקרה, בכל שיטה צריך לשקול מגוון של גורמים טכניים רלוונטיים למטבוליט הפכפך זה, לרבות לחות, טמפרטורה, pH, זרימה, כמו גם ביולוגיה הלוע התחתון בזהירות.
באופן טבעי, יש הנחות ואמונות על שיטת מדידת השפעה קריטית על ניתוח נתונים. אנו מאמינים כי לחץ ופחמן דו חמצני הוא היבט מרכזי של בקרת איכות. עם זאת, הוא לא בטוח, למשל, אם אמוניה יש לדווח כפי שנמדדה, או פחמן דו חמצני מותאמת, עם יחידות כppb או picomole. ככל שיותר ניסיון וביטחון הם זכו במקורות טכניים השונים של טעות, השיקולים המורכבים המכהנים בניתוח הנתונים הגיעו אל מוקד גדול יותר ויניעו את ההבנה טובה יותר של ביולוגיה מאוד מאתגרת זו. (איור 2: שגיאה אקראית ולא אקראית מדידה אמיתית ביולוגיות השתנות מול ביולוגי Epiphenomena או B נשימה לא נורמאלית...וגורמים שבעל פה / באף או C ו-D. ציוד ביצועים.)
איור 2. תרשים של מטופל לממשק נשימה למוניטור אמוניה. א) חולה להיבדק, והוא גם חלק בלתי צפוי ביותר של תהליך גביית נשימה. נשיפות נשימת האכילה של מטופלים, הפעילות הגופנית, והרגלי עישון יכולים להשפיע באופן משמעותי על איסוף הנתונים. B) משתנות מאדם לאדם, ולכן שיטה לתקנן נשימות היא חשובה. מתן סימן חזותי כדי לספק זרימה רצויה של אוויר מהריאות עובד היטב כדי לשמור נשיפות אחידות. C) מכשיר ממשק נשימה קשור קשר הדוק ל-B שבעקביות הנשימה הוא גורם חשוב בהשוואת נושאים. Inte סמפלר הנשימהrface מאפשר למשתמש להציג פרמטרים מדגם נשימה שונים בזמן אמת. ד ') צגי אמוניה יכולים להגשים את עצמם בטכנולוגיות שונות. יש ספקטרוסקופיה photoacoustic המשופרת קוורץ יתרונות רבים הגלומים האמינו להיות אידיאלי לניתוח נשימה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
מגבלות חשובות לשיטה הנוכחית יש להודות. בעוד סמפלר הוא זול יחסית ונייד, צג האמוניה, כפי שמוגדר כיום, הוא לא. כתוצאה מכך, נושאים צריכים לבוא לחקר החלל שלנו ייעודי נשימה, כפי שאנו לא יכולים בקלות להעביר את הציוד שלנו למרפאת. גורם זה, יחד עם הדרישה שהנשימה של הנבדק נושפת נשימה ארוכה אחת, משפיע בו נבדקים ניתן ללמוד (כלומר חולים חולים שבחמת כבד, אוכלוסיית יעד עיקרי, הם לעתים קרובות pracנשלל tically). יתר על כן, כי יש לנו רק אחד לפקח, אנחנו מוגבלים במספר הנושאים שניתן ללמוד באופן מציאותי בפרוטוקול נתון. בתורו, זה משפיע על גודל מדגם וכוח.
כפי שצוין לעיל, האוסף של תחמוצת חנקן שטופל על ידי המאמץ המשותף של האגודה האמריקנית בית החזה ואגודת הנשימה האירופית. אין כיום שום הסכם שווה ערך לאמונית נשימה, אם כי קבוצות רבות עושים תרומות קריטיות לקידום מדידת אמוניה נשימה. כמו הספרות על מדידת עקבות נשימת המטבוליט באופן כללי ואמוניה בפרט ממשיך להתפתח 15 בוודאי יהיו שינויים ושיפורים שיבואו רבים. צגים שהם קטנים יותר, ניידים יותר, ופחות יקרים הם קריטיים עבור ניסויים קליניים רב מרכזיים בהצלחה.
Dr. Risby serves as a consultant for Loccioni Humancare the manufacturer of the breath sampler.
המחברים מודים תמיכה כספית מקרן לאומית למדע (NSF) להעניק EEC-0,540,832 שכותרתו "אמצע אינפרא אדום טכנולוגיות לבריאות והסביבה (MIRTHE)"
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Rice Ammonia Monitor System | N/A | N/A | Not available for commercial purchase |
Loccioni Breath Sampler | Loccioni Humancare | N/A | Single breath version |
Disposable Mouth Piece | WestPrime Healthcare | G011-200 | Manufacturer is AlcoQuant |
Laptop | Lenovo | N/A | Old model no longer sold by manufacturer |
Acid Rinse | N/A | N/A | Household acidic drink (coffee, soft drink, citrus juices, etc) |
Base Rinse | N/A | N/A | Water mixed with a nonexact amount of sodium bicarbonate (Arm & Hammer Baking Soda) |
Neutral Rinse | N/A | N/A | Water |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved