高速かつ正確な呼気アンモニア測定

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

アンモニアは、タンパク質代謝の¹ユビキタス副産物である。アンモニア測定は、したがって、臨床医は、様々な疾患と健康状態^2の評価に役立つことができます。しかし、アンモニアは、非常に反応性であるので、血液または呼気を介して、正確に測定することは困難である。一般的に使用されるものの、血アッセイ精度³についての基本的な問題を含む多数の欠点を有する。しかし、血アッセイの主要な問題は、彼らが唯一のこれまで気まぐれに収集現実である。アンモニア生理学は、多くの血中グルコースおよび他の多くの代謝プロセスと同様に、流体、これまで^4を変化させるので、これは重要である。対照的に、息アッセイは容易反復測定を可能にする、完全に非侵襲的かつ迅速である。それはユニークな方法で深刻なアンメットニーズに対処することができるので、このようにして、息のアンモニア測定は魅力的です。

呼気収集しかしながら、ユニークな問題を提示する。瀉血は本質jeoを運ぶ一方、呼吸の変動、口腔粘膜による汚染：いくつかの予測できない方法（などなど 、止血時間、汗汚れ、血球溶血、実験室での測定が遅れ^、5）、呼気測定の研究者が新たな挑戦の別のグループと競合しなければならないの誤差のpardyまたは細菌、アンモニア、周囲の空気と装置湿度や温度の影響など^6。確かに、それは未知の生物を発見する実験手順を使用して人間に実験装置を接続する作業を過小評価することは賢明ではありません。これらの障害に起因する部分では、息のアンモニアは、まだその可能性を満たしていません。

ここで、我々は、高速かつ正確な結果を得るために私たちの息のアンモニア測定プロトコルを提示する。モニター、インターフェイスサンプラー、人間の影響に注意：我々のプロトコルは、3つの分野での強さを持っています。モニターは、前述の⁷のようにライス大学の同僚によって建てられました。 MEAの基礎surementは、石英強化光音響分光法（QEPAS）音響トランスデューサ圧電水晶音叉を採用している手法である。音響波が目標微量ガス種によって変調されたレーザー放射の吸収により生成されるときに光音響効果が生じる。微量気体を音響的に変調された周波数に共振する音響セルを用いて検出される。アンモニアの吸収波長は息種を妨害するからスペクトル干渉がないことを選択しました。人間の呼気測定の目的のためには、モニターの主な特徴は、広い測定範囲（十億分〜50部から、少なくとも5000 PPBにPPB）と速度（1秒の測定）が含まれています。モニターの速度は呼吸サイクル全体で時間分解能を可能にします。

モニタは、特別に設計された呼気サンプラに結合される。サンプラーは、圧力センサとカプノグラフから構成されています。これは、リアルタイムで表示され、アーカイブ口の圧力と二酸化炭素だけでなく、センサーによって決定アンモニア濃度を測定。このサンプラは、したがって、呼気が収集されるように呼吸努力の品質を評価する技術者を可能にする。これは米国胸部学会/欧州呼吸器学会（ATS / ^ERS）8のタスクフォースによって提案された呼気の一酸化窒素_（NO鉄） _を分析するための勧告を超えてすることを可能にします。すべての息サンプリングのため、使い捨てのワンウェイのインラインバルブが息サンプラーの口ポートで使用されました。

なぜならサンプラーが提供するモニターと品質管理の速度、我々は慎重に⁹人の影響を評価することができました。呼吸するように指示されると、ほとんどの被験者は、例えば、当初は過換気。このような経口のpHや口リンス、サンプラー、モニターおよび関連するすべての配管の温度、および呼吸のモードなど、他の重要な影響は、後に研究し、FO基礎である下記R実例実験。

最後に、そしておそらく最も顕著には、複数の経験豊富な基は完全に異なるセンサ及び測定手順を用いて呼気アンモニアを測定していることを強調しなければならない。これらは重要な利点と有効性を持つことができる。完全な比較は本研究^10,11,12の範囲を超えている。

Protocol

楽器の1。準備アンモニア光学センサープラットフォーム、レーザーダイオード·コントローラ、カスタム構築された制御電子ユニット（CEU）、ブレスサンプラー、空気ポンプ、およびラップトップに外部電源をオンにします。 アンモニアセンサーの両方の排気と冷却ファンが動作していることを確認してください。注：一つは、センサの背面に位置しており、第二は、簡単に?…

Representative Results

被験者は、ベースライン呼気アンモニアレベルの広い範囲を生成することが期待できる。健康な人は、100〜1,000 PPBの呼気アンモニア測定で一日を始めることができる。任意の流体で口をすすぐことは、すぐに検出可能な呼気アンモニアの量を変更します。中性および酸性の液は、通常、半分以上で観察されるアンモニアの量を削減する。すすぎの効果が切れるようにこれらのレベルは、その?…

Discussion

リアルタイムで微量代謝物を検出することが可能な非侵襲的手順の利点は明白である。しかし、息研究のフィールドは、この潜在能力を発揮するために苦労している。息の測定は、多くの交絡因子に対して脆弱動的なプロセスである。我々のアプローチは重要な強みを持っている：具体的には、息をサンプラーに接続されたライスQEPAS基づくアンモニアモニターの感度および速度を正確に測?…

Materials

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