מדידת אמוניה מהירה ומדויקת נשף נשימה

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

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.

Protocol

1. הכנת מכשירים הפעל את אספקת החשמל החיצונית לפלטפורמת החיישן אופטי האמוניה, בקר דיודת לייזר, יחידה שנבנתה בהזמנת אלקטרוניקה שליטה (CEU), סמפלר הנשימה, משאבת אוויר, ומחשב נייד. ודא ששתי הפליטה ?…

Representative Results

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 יות?…

Discussion

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 מ?…

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