Abstract
Bakgrunn
Vanlige metoder for lungekreft deteksjon inkludert computertomografi (CT) og bronkoskopi er dyrt og invasiv. Dermed er det fortsatt behov for en optimal lungekreft påvisning teknikk.
Metoder
utåndet pust av 50 pasienter med lungekreft histologisk påvist av bronkoskopiske biopsiprøver (32 adenokarsinomer, 10 plateepitelkarsinom Kreftsvulster, 8 små cellekreft), ble analysert ved hjelp ion mobilitet spektrometri (IMS) og sammenlignet med 39 friske frivillige. Som en sekundær vurdering, sammenlignet vi adenokarsinom pasienter med og uten epidermal vekstfaktor reseptor (EGFR) mutasjon.
Resultater
En avgjørelse tre algoritmen kunne skille pasienter med lungekreft inkludert adenokarsinom, plateepitelkarsinom og småcellet karsinom. En 100-15 separert flyktige organiske forbindelser (VOC) topper ble analysert. Peak-to angitt som n-dodekan med IMS databasen var i stand til å skille verdier med en sensitivitet på 70,0% og en spesifisitet på 89,7%. Innlemming av et beslutningstre algoritme som starter med n-dodekan, en sensitivitet på 76% og spesifisitet på 100% ble oppnådd. Sammenligning VOC topper mellom adenokarsinom og friske individer, n-dodekan var i stand til å skille verdier med en sensitivitet på 81,3% og en spesifisitet på 89,7%. Fjorten pasienter som var positive for EGFR-mutasjon viste en signifikant høyere n-dodekan enn for de 14 pasientene som var negative for EGFR (p 0,01), med en følsomhet på 85,7% og en spesifisitet på 78,6%
Konklusjon
.
i denne prospektive studien, VOC peak mønstre ved hjelp av et beslutningstre algoritmen var nyttig i påvisning av lungekreft. Videre, n-dodekan analyse fra adenokarsinom pasienter kan være nyttig å diskriminere EGFR mutasjon
Citation. Handa H, Usuba A, Maddula S, Baumbach JI, Mineshita M, Miyazawa T (2014) utåndet pust Analyse for Lung Cancer Detection Bruke Ion Mobility Spektrometri. PLoS ONE 9 (12): e114555. doi: 10,1371 /journal.pone.0114555
Redaktør: Francisco Renán Aguayo, University of Chile, Chile
mottatt: 11 juli 2014; Godkjent: 11 november 2014; Publisert: 09.12.2014
Copyright: © 2014 Handa et al. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Data Tilgjengelighet:. Den forfatterne bekrefter at alle data som underbygger funnene er fullt tilgjengelig uten restriksjoner. Alle relevante data er innenfor papir
Finansiering:. Denne studien ble støttet av Japan Society for Promotion of Science og av Grants-i-Aid for Scientific Research (20410061, 24800068). Dr. Baumbach ble støttet av Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Tyskland) innenfor Collaborative Research Center (Sonderforschungsbereich) SFB 876 «Gi informasjon ved ressursbegrensede Analysis», prosjektet TB1 «med begrensede ressurser Analyse av Spektrometri data». Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:. Forfatterne har følgende konkurrerende interesser: Drs. Baumbach og Maddula var ansatte i B S Analytik GmbH til 2013 og Baumbach er aksjonær i B S Analytik GmbH. Det er ingen konflikter for rådgivning, patenter, produkter under utvikling, eller markedsført produkter. Forfatterne bekrefter at denne jobben ikke endre sin tilslutning med hensyn til PLoS ONE politikk på deling av data og materiale.
Innledning
Nylig National Lung Screening Trial-teamet rapporterte at screening med lav dose beregnet tomografi (CT) redusert dødeligheten av lungekreft med ca 20%. Lavdose CT er en viktig screening test; Men, det er dyrt, og det er risiko forbundet med stråling. På den annen side, er lett å bruke og strålingsfrie pust analyse. Gasskromatografi og massespektroskopi (GC /MS) [1] – [2] og kjemisk sensor matriser: kvarts-mikrovekten [3], akustisk overflatebølge [4], karbon-polymer matrise [5], kolorimetrisk sensor [6], single-vegger karbon nanorør [7] og gull nanopartikler [8], kan oppdage flyktige organiske forbindelser (VOC) i lungekreft fra menneskelige pusten. I tillegg har canine duft fokusert på diagnose av lungekreft [9] – [10].
Ion mobilitet spektrometri (IMS) med multi-kapillar-kolonne (MCC), en pust-analyse-enhet, kan detektere spesifikk VOC hos pasienter med lungekreft [11]. IMS /MCC kan detektere en meget lav konsentrasjon av flyktige organiske forbindelser (normalt i ppbv- til PPTV trekkende, pg /L for å ng /L-range) på mindre enn 8 minutter total analysetid og er overlegen i forhold til GC /MS som kan det bli anvendt ved senge stedet og direkte prøvetaking kan tas uten forberedelse [11] – [21]. I Europa, 550 MBq β-strålekilder er akseptabelt; Men for det japanske markedet, regler begrenser
63Ni β-strålekilder til under 100 MBq. Derfor i denne studien, ble en 95 MBq ß-ionisering kilde brukes. Den innledende Hensikten med denne studien er å bekrefte reproduserbarheten av IMS /MCC resultater (ved hjelp BioScout: B S Analytik, Dortmund, Tyskland). For en japansk befolkning
Kjemoterapi av lungekreftpasienter avhenger funksjonstilstand, histologiske funksjoner, svulst staging og molekylære egenskaper. Tidligere har 2 narkotika kombinasjon kjemoterapi inkludert platina blitt utført som en førstelinjebehandling for pasienter med avansert ikke-småcellet lungekreft (NSCLC) betraktes som en enkelt sykdom til tross for sin histologisk og molekylær heterogenitet. Men nylig, oppdagelsen av molekylære forandringer som epidermal vekstfaktor-reseptor (EGFR) mutasjon, og nye midler slik som EGFR-tyrosinkinase-inhibitor endret behandling av NSCLC. Disse førte NSCLC behandling for personlig terapi. Forskjeller av histologisk type og genetiske endringer er de viktigste faktorene i avgjørelsen av dagens lungekreft behandling. Den andre Målet med denne studien er å bekrefte om VOC mønstre er i stand til å oppdage histologisk bekreftet lungekreft, og driver mutasjoner som EGFR mutasjon.
Metoder
Breath analyse ved hjelp av et ion mobilitet spektrometer ( IMS) ble tilfeldig utført hos friske frivillige og pasienter med lungekreft på St. Marianna University School of Medicine fra 1. september 2011 til 14. januar 2013. i alle pasienter med lungekreft, ble pusteprøver samlet inn før bronkoskopi. Den etiske komiteen for St. Marianna University School godkjent denne studien og skriftlig informert samtykke ble innhentet fra alle fag (No1820). Denne studien ble registrert med University Hospital Medical Information Network Clinical Trial Register (Umin-CTR) (UMIN000006696, 000008328).
utåndet pust av 50 pasienter (31 menn, 19 kvinner), med lungekreft bekreftet histologisk av bronkoskopiske biopsiprøve ble sammenlignet med 39 friske frivillige (25 menn, 14 kvinner). Røyke historier av fagene ble målt ved hjelp av pack-årene
Ion mobilitet spektrometri (IMS)
IMS (BioScout, B S Analytik, Dortmund, Tyskland). Kombinert med en multi-kapillær kolonne ( MCC, type OV-5, Multichrom Ltd, Novosibirsk, Russland) og koblet til et spirometer (Ganhorn Medizin Electronic, Niederlauer, Tyskland), som en CO2-kontrollerte prøveinngang enhet ble utnyttet. Tabell 1 viser egenskapene ion mobilitet spektrometer
De viktigste parametrene for pusten analyse er tidligere oppsummert [11] -. [21] og vil bli diskutert her i korte trekk. IMS refererer til påvisning av ioner dannet fra analyse ved omgivelsestrykk inne i et rør drift. Begrepet ion mobilitet spektrometri refererer til metoden karakteranalyse i gasser med sin gassfase ion mobilitet. Normalt drift tid av ion svermer, dannet ved hjelp av egnede ionisering kilder deretter passerer gjennom elektriske skodder, måles. Ion mobilitet for analyse kan tilveiebringe et middel for påvisning og identifisering av damp. Doren hastigheten er relatert til den elektriske feltstyrke av den mobilitet. Derfor er mobiliteten proporsjonal med den inverse drift tid, noe som vil bli målt ved et fast drift lengde. IMS kombinerer både høy følsomhet og relativt lav teknisk utgifter med en datainnsamling høy hastighet. Tiden for å skaffe en enkelt-spektrum er i området fra 10 ms til 100 ms. Således er IMS et instrument som egner seg for prosesstyring, men på grunn av forekomsten av ione-molekyl reaksjoner og relativt dårlig oppløsning av det som dannes, er det som regel ikke for identifisering av ukjente forbindelser. Sammenlignet med massespektrometri, den midlere frie veilengde av ionene er mye mindre, ettersom dimensjonene til instrumentet. Et ion dannet har et høyt antall kollisjoner med gassmolekyler bærer på doren vei mot Faraday-plate. Men på grunn av de høye vakuumbetingelser i massespektroskopi, et ion dannet vil det normalt ikke ha noen kollisjon med andre molekyler i løpet av drift. I den lille tidsforskjell mellom kollisjoner ionet vil få energi fra den ytre elektrisk felt og mister energi ved den neste kollisjonsprosess. Følgelig vil en temmelig konstant drift hastighet nås. Derfor er et ion sverm drivende under slike betingelser oppstår en separasjonsprosess som er basert på ulike drivhastigheter for ioner med forskjellige masser eller geometriske strukturer. Samlingen av disse ioner på en Faraday-plate leverer et tidsavhengig signal svarende til mobiliteten av de ankommer ioner. Et slikt ion bevegelighet spektrum inneholder informasjon om naturen av de forskjellige forbindelser som er tilstede i prøvegassen.
Sammenlignet med andre analysemetoder, har IMS en betydelig større informasjonstetthet med komparativ lav byrde på vekt, kraft og størrelse. Naturligvis er det andre analytiske teknikker, som inneholder mye større informasjonstetthet som massespektrometri. Andre teknikker er mindre og mer økonomisk på strømmen som akustiske overflatebølgesensorer. IMS viser dets spesifisitet avhengig av ione-størrelse, kjemi og art av prøven. Det kan være svært høy, gjennom en kombinasjon av drift tid og ionisering egenskaper. Når det er alltid mulig, er bindestrek GC-IMS foretrukket. Av seg selv IMS er overlegen MS og GC med hensyn til verktøy, gassforbruk, ingen vakuum relativt lave strømkrav som kreves og.
For spektrometri, en 95 MBq
63Ni ß-strålingskilde ble søkt om ionisering av bæregass (syntetisk luft). Vanligvis er det totale antall av ioner dannet noe lavere ved bruk av 95 MBq sammenlignet med 550 MBq. Som et resultat vil det totale antallet ioner med reaktant-ion toppen i syntetisk luft redusere lineære området marginalt. For applikasjons tilfeller som pusten analyse hovedsakelig jobber med deteksjonsgrenser for analyse, forekomsten av analysen spiller en viktigere rolle enn den lineære området. Som vist senere i denne artikkelen, er det diskriminering makt og detectability av analysene i utåndet pust ikke påvirket av forskjellen i aktiviteten til ionisering kilden.
spektrometer ble koblet til en polar MCC som fungerte som en pre-separasjonsenhet. For MCC, ble analyser av utåndet pust sendes gjennom 1000 parallelle kapillærer, hver med en indre diameter på 40 um og en tykkelse på 200 nm. Den totale diameter av separasjonskolonnen var 3 mm.
utåndet pust av fagene ble tatt direkte gjennom spirometer ved hjelp av en standard munnstykke som inneholder en ultrasonisk sensor uten å registrere 500 ml dødt volum på utløp. Innholdet i en 10 ml prøvesløyfe ble tilsatt til innløpet av MCC og transportert til IMS, som var direkte koblet til ionisering regionen etter pre-separasjon. MCC og drift rør ble holdt ved 40 ° C. Bære og drift gassen var syntetisk luft (Nippon Megacare, Tokyo, Japan)
Statistisk analyse
Toppene ble karakterisert ved hjelp av Visual nå 2,2 software (B S Analytik, Dortmund Tyskland). [14], [22] – [25]. Alle topper funnet ble karakterisert ved deres posisjon med drift tid (tilsvarende 1 /K
0-verdi) og oppholdstid, og deres konsentrasjon i forbindelse med topphøyden (tabell 1). Detaljer av dataanalyse prosedyren ble realisert basert på fremgangsmåtene beskrevet i detalj tidligere [15], [22] – [26] og oppsummert her [27] -. [31]
For de forskjellige grupper og hver av toppene, ble Box-and-Whisker tomter generert. Rangen sum ble gitt av Wilcoxon-Mann-Whitney test med Bonferroni korreksjon. Visuell nå 2,2 ble benyttet til å rangere toppene med høyest forskjell mellom gruppene
Forholdet mellom toppene som finnes i BioScout og analysen ble realisert ved sammenligning med Visual nå Version 110801 database (B . S Analytik, Dortmund, Tyskland), oppnådd ved målinger som er beskrevet tidligere [11], [32] – [34]. I det foreliggende papir, ble toppene korrelert med den nærmeste analyse fra referansedatabasen, og sammenlignet med den aktuelle posisjonen til topp.
Resultatene
Alle lungekreft ble histologisk verifisert ved bronkoskopiske biopsiprøver. I 28 pasienter, transbronchial biopsi i perifere lungelesjoner bruker både endobronchial ultralyd med guide-slire og virtuelle bronkoskopi navigasjon ble bekreftet. I 22 pasienter, kunne sentralt tracheobronchial lesjoner være direkte bekreftet. De typer lungekreft var: 32 adenokarsinomer, 10 plateepitelkarsinom og 8 små cellekreft. Av 32 pasienter med adenokarsinom, 14 ble funnet å være positivt for EGFR mutasjon, 14 var negative for EGFR mutasjon og 4 pasienter var positive for anaplastisk lymfom kinase (ALK) fusjon. Lungekreft TNM staging viste: stage 1 = 13 pasienter, scene 2 = 6 pasienter, stadium 3 = 8 pasienter og stadium 4 = 23 pasienter. Sju av 39 friske frivillige og 33 av 50 pasienter med lungekreft hadde røyking historier (tabell 2).
Totalt 115 forskjellige topper ble sammenlignet med hensyn til separasjon makt hos pasienter med lungekreft og friske frivillige (fig. 1). Ti VOC-topper ble identifisert med betydning høyere enn 95% (p 0,01) hos pasienter med lungekreft. Av disse peak-to, som har den sterkeste VOC topp, er kjent som n-dodekan med IMS databasen og var i stand til å skille verdier med en sensitivitet på 70,0% og en spesifisitet på 89,7%. De 9 andre VOC-topper ble også identifisert ved anvendelse av databasen (tabell 3). I tillegg, ved bruk av et beslutningstre algoritme med n-dodekan som utgangspunkt, en sensitivitet på 76%, spesifisitet på 100%, PPV på 100% og NPV på 76,4% ble registrert (fig. 2).
ett 100-15 VOC toppene ble påvist med ion mobilitet spektrometri hos pasienter med lungekreft og friske frivillige.
Sammenligning VOC topper mellom adenokarsinom og friske personer, 11 VOC toppene ble funnet for å ha betydning høyere enn 95% (p 0,01) og n-dodekan (peak-to) var i stand til å skille verdier med en sensitivitet på 81,3% og en spesifisitet på 89,7% (fig. 3). I tillegg, 14 lunge adenokarsinom pasienter som var positive for EGFR-mutasjon viste en signifikant høyere n-dodekan VOC topp enn for 14 lunge adenokarsinom pasienter var negative for EGFR-mutasjon uten 4 pasienter positive for ALK fusjon (p 0,01), med en følsomhet på 85,7% . og en spesifisitet på 78,6% (fig. 4 og 5)
Peak 2 var signifikant høyere hos pasienter med lungekreft (p 0,001). Boksen representerer den 25. og 75. percentil, værhårene representerer området, og foret boksen representerer medianen, mens sirkler representerer gjennomsnittet. Lunge adenokarsinom pasienter viste en signifikant høyere n-dodekan VOC peak enn friske frivillige og n-dodekan VOC peak kunne skille verdier med en sensitivitet på 81,3% og en spesifisitet på 89,7%.
Fjorten pasienter med EGFR mutasjon viste en signifikant høyere n-dodekan topp med en sensitivitet på 85,7% og en spesifisitet på 78,6% (p 0,01). enn på 14 adenokarsinom pasienter uten EGFR mutasjon
Sammenligning VOC topper mellom plateepitelkarsinom og den sunne gruppen, ble 11 VOC topper seg å ha betydning høyere enn 95% og maksimal-69 var i stand til å skille den beste verdien med en sensitivitet på 97,4 og en spesifisitet på 60,0% (p 0,001) . Sammenligning av VOC-topper mellom småcellet karsinom og friske forsøkspersoner, peak-6 ble funnet å være vesentlig høyere enn 95% (p 0,01) med en følsomhet på 97,4% og en spesifisitet på 50,0%. I tillegg kunne en beslutning treet algoritme skille histologiske typer lungekreft og friske frivillige (Fig. 6).
Diskusjoner
I denne prospektive studien, VOC peak mønstre ved hjelp av en beslutning tre algoritmen var nyttig i påvisning av lungekreft. Vi fant ut at noen VOC topper vises signifikante forskjeller mellom pasienter med adenokarsinom, plateepitelkarsinom, småcellet karsinom og friske frivillige. I tillegg er noen VOC topper positive for EGFR mutasjon viste signifikant økning, spesielt n-dodekan peak, som var den mest verdifulle biomarkør. VOC-analyse ved anvendelse av IMS er forventet å være en viktig påvisningstesten for lungekreft. Så vidt vi vet, er dette den første studien som viser at n-dodekan analyse fra adenokarsinom pasienter kan være nyttig å diskriminere for EGFR mutasjon.
VOC analyse av lungekreft ved hjelp av GC /MS har blitt brukt mye siden 1985 . i GC /MS ble noen VOC modeller som brukes til å analysere betydning, med en sensitivitet og spesifisitet på 54 til 100% og 67 til 100%, henholdsvis [35]. Westhoff et al. var den første til å rapportere VOC analyse for lungekreft ved hjelp av IMS. Han rapporterte at 23 VOC topper fra utåndet pust kunne skille lungekreft og en sunn kontroll, upåvirket av røyking historie [11]. Imidlertid ble spektrometri teknologier som bruker pusten prøvetaking påvirket av omgivelsene, oral lukt og ernæring. Direkte luftveis prøvetaking etter bronkoskopi var ubetydelig for oral lukt og noen VOC topper vises signifikante forskjeller mellom lunge svulst området og normal området. Dessuten, noen VOC topper, 2-butanol, 2-metylfuran og n-nonanal, vist seg nyttig å skille adenokarsinom og plateepitelkarsinom [36] – [37]. For lunge adenokarsinom, ble n-dodekan funnet å være en viktig VOC-toppen for både pust analyse og bronkoskopi-prøvetaking og ble rapportert å være assosiert til pasienter med lungekreft [36] -. [37]
Det er kjent at østasiatiske NSCLC pasienter har høyere forekomster av EGFR mutasjon [38] – [40]. Driver mutasjoner, inkludert EGFR, har fokusert på lungekreft og andre ondartede svulster [41] – [43]. EGFR mutasjon har en høyere forekomst enn andre driver mutasjoner i lungekreft og er følsom for EGFR-tyrosinkinase-inhibitor. Resultatene av denne studien viser at lungeadenokarsinom positivt for EGFR mutasjon har en tendens til å øke intensiteten av enkelte VOC-topper ved hjelp av IMS. EGFR kan ha en spesifikk metabolisme som kan produsere forskjellige VOC. Påvisning av EGFR mutasjon trenger kirurgisk prøven, bronkoskopiske eller CT-veiledet nål biopsi vev, bronkial lavage væske og pleuravæske med tumorcelle. En tidligere studie rapporterte utåndet pust kondensat kunne evaluere EGFR mutasjon. Men det var fortsatt vanskelig å oppdage EGFR mutasjoner i utåndet pust kondensat fordi cellulære komponenter som presenteres i utåndet pust kondensat er ikke representative for svulst [44] – [45]. Analysen av VOC mønstre, inkludert et beslutningstre algoritme kan være nyttig for å oppdage EGFR mutasjon som sendes ut fra lungekreft cellelinjer i fremtiden.
Denne studien hadde noen begrensninger. Først utvalgsstørrelsen var små og større utvalg studier er nødvendig. Selv om flere pasientpusteprøver for å overvinne mulige problemer med statistiske undersøkelser, i tidligere litteratur prøvestørrelsene for pust analyse hadde vært mindre sammenlignet med den foreliggende studien [36] – [37]. Foruten de store spørsmålet har flere pusteprøver av pasienter enn toppene for å overvinne potensielle problemer med statistiske undersøkelser generelt, ble her 89 prøver undersøkt og 115 topper ble funnet. For det andre kan VOC hos pasienter med lungekreft bli påvirket av røyking historie. Det skal bemerkes, hvis forskjellene ikke var relatert til tobakksrøking i lungekreftpasienter, som ble betraktet i detalj av Westhoff et al. [11] viser at i begge grupper, inkludert et høyere antall røykere og ikke-røykere differensiering ved hjelp ion mobilitet spektrometri var vellykket. For molekylene undersøkt av IMS i denne studien, er forskjellene var uavhengig av røykestatus og betydning for begge gruppene. I studiet av Westhoff et al. [11]. Det var ingen database som er tilgjengelig for å identifisere analysen. Nylig, Darwiche et al. [36] viste ved sammenligning av målinger som tar prøver av luft fra den samme pasient ved kreft området og ikke-kreft stedet under bronkoskopi, forskjeller ble funnet var relatert til det sted prøven ble tatt direkte over kreftceller, eller på den andre lunge området . Tredje, i samsvar med japanske forskrifter, restriksjoner på
63Ni β-stråling kilder til under 100 MBq er satt for denne japanske pilotstudie, som er lavere enn europeiske begrensningene. Men denne studien viser resultatene at IMS med 95 MBq β-stråling kilde kunne skille mellom friske frivillige og pasienter med lungekreft vellykket. Derfor skaper en database for den asiatiske populasjonen med hensyn til VOC-topper og stoffer som kan være nødvendig. I fremtidige studier, er multisenterstudier ved hjelp av IMS for å analysere lungekreft.
Takk
Forfatterne ønsker å takke Mr. Jason Tonge for manuskriptet forberedelse.
