Uporaba plinske kromatografije z masno spektrometrijo za analizo izdihanega zraka bolnikov na mehanski ventilaciji, hospitaliziranih na oddelku intenzivne nege

Polutnik, Eva (author), Trontelj, Jurij (mentor), Wojciech, Filipiak (comentor)

Magistrsko delo obravnava diagnostični potencial hlapnih organskih spojin pri odkrivanju in spremljanju pljučnice, povezane z mehanskim predihavanjem, pri bolnikih na oddelku intenzivne terapije. Naloga je sistematično zasnovana in vključuje tri ključne analitske pristope: razlikovanje med izdihanim zrakom in vdihanim zrakom iz ventilatorja, primerjavo med bolniki s potrjeno diagnozo pljučnice in brez nje ter raziskovanje vzdolžnih povezav med koncentracijami posameznih spojin in laboratorijskimi označevalci vnetja. Izdihan zrak je bil izbran kot diagnostični vzorec zaradi neinvazivne narave njegove odvzema ter sposobnosti odražanja endogenih presnovnih procesov in biokemičnih sprememb, povezanih z infekcijskim stanjem. Eksperimentalni del magistrske naloge je potekal na oddelku intenzivne terapije, kjer so bili pri mehansko predihavanih bolnikih zbrani vzorci izdihanega zraka in zraka iz ventilatorja, pred vdihom. Analiza vzorcev je bila izvedena z uporabo plinske kromatografije v povezavi z masno spektrometrijo, pri čemer smo spremljali vnaprej izbrane spojine. Primerjava med izdihanim in vdihanim zrakom je pokazala, da je bilo 44 spojin v izdihanem zraku statistično značilno bolj zastopanih, kar nakazuje na njihov endogeni ali mikrobni izvor. Med njimi so izstopali dimetil sulfid, ogljikov disulfid, 2-pentilfuran, metil acetat, metil vinil keton ter drugi aldehidi in ketoni. Ti rezultati potrjujejo ugotovitve preteklih raziskav, ki te spojine povezujejo z mikrobno aktivnostjo, vnetjem ali oksidativnim stresom. Primerjava med bolniki s pljučnico in brez nje je pokazala, da sta bila 3-metilbutanal in 2-etilakrolein najmočnejša statistična označevalca za prisotnost pljučnice, saj sta pokazala največje spremembe v koncentraciji, kot tudi visoko statistično značilnost. Poleg tega so bile pri bolnikih s potrjeno pljučnico v višjih koncentracijah prisotne tudi spojine dimetil sulfid, 2-pentilfuran in D-limonen. Nekatere izmed teh, zlasti dimetil sulfid in 2-pentilfuran, sta bila že v prejšnjih študijah večkrat povezana z okužbami dihal in sistemskimi infekcijami. 3-Metilbutanal in 2-etilakrolein sta v literaturi opisana kot produkta mikrobne presnove pogostih povzročiteljev pljučnice, kot so Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae in Pseudomonas aeruginosa. Dimetil sulfid in ogljikov disulfid pa sta v poogjih in vitro opisana kot prehodna presnovna označevalca, ki dosegata vrh med logaritmično rastjo bakterij, njihova prisotnost pa upade ob stabilizaciji okužbe. Raziskava je vključila tudi vzdolžno analizo bolnikov, katerih vzorci so bili zbirani tri ali več zaporednih dni. Čeprav ta del naloge ni bil namenjen statističnemu testiranju hipotez, je omogočil vpogled v sočasne spremembe koncentracij spojin in kazalnikov vnetja skozi čas. Opažena je bila izrazita interindividualna variabilnost med prisotnostjo in trendi posameznih hlapnih spojin v izdihanem zraku v povezavi s spremembami kazalnikov vnetja. Pri nekaterih bolnikih je bilo zaznano naraščanje koncentracij acetona, ogljikovega disulfida in 2-butanona, ki je potekalo vzporedno z upadanjem vrednosti C-reaktivnega proteina in prokalcitonina. V drugih primerih so aldehidi, kot sta heptanal in undekan, upadali kljub stabilnim ali naraščajočim vrednostim vnetnih označevalcev. Opaženi so bili tudi primeri, kjer sta D-limonen in oktanal izrazito narasla tik pred ali hkrati s porastom vnetnih kazalcev. Rezultati so skladni z laboratorijskimi opažanji, kjer sta dimetil sulfid in ogljikov disulfid dosegala največje koncentracije v zgodnjih fazah bakterijske rasti, nato pa hitro upadla. Ti vzorci potrjujejo, da hlapne organske spojine odražajo dinamiko vnetnih procesov in ponujajo zanimivo izhodišče za nadaljnje raziskave njihove uporabnosti pri spremljanju poteka bakterijskih okužb v intenzivni medicini. Kljub temu se je treba zavedati omejitev magistrske naloge, kot so uporaba majhnega števila posameznih vzorcev ter pomanjkanje dodatnih kontrolnih meritev okolja, zunaj ventilatorskega sistema. Sklepno lahko ugotovimo, da imajo izbrane spojine pomemben potencial kot neinvazivni biološki označevalci za diagnosticiranje in spremljanje okužb na oddelkih intenzivne terapije. Magistrska naloga potrjuje obetavnost izdihanega zraka kot vira diagnostičnih informacij, hkrati pa razkriva kompleksnost presnovnih interakcij med gostiteljem in patogenom. Za nadaljnjo potrditev teh biomarkerjev bo potrebno vključiti mikrobiološke podatke, podatke o zdravljenju ter standardizirane protokole odvzema izdihanega zraka. Če bodo ti pristopi potrjeni, bi lahko pripomogli k razvoju hitrega, neinvazivnega diagnostičnega orodja, ki bi omogočilo učinkovitejši nadzor nad okužbami in podprlo klinično odločanje v intenzivni medicini.

• Language: Slovenian
• Keywords: pljučnica, povezana z mehanskim predihavanjem, hlapne organske spojine, diagnostika v intenzivni terapiji, biomarkerji, analiza izdihanega zraka
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FFA - Faculty of Pharmacy
• Year: 2025
• PID: 20.500.12556/RUL-174329
• Publication date in RUL: 01.10.2025

Secondary language

• Language: English
• Title: Application of gas chromatography-mass spectrometry for the analysis of exhaled breath from mechanically ventilated patients hospitalised at the Intensive Care Unit

Abstract

This thesis explores the diagnostic potential of volatile organic compounds in detecting and monitoring ventilator-associated pneumonia in critically ill patients. It adopts a comprehensive approach, including distinguishing between exhaled breath and inspired air, comparing groups of patients with and without confirmed diagnoses, and exploring longitudinal correlations with inflammatory biomarkers. Focusing on exhaled breath as a non-invasive sampling method, the thesis seeks to identify compounds indicative of endogenous metabolic processes and biochemical changes related to infection. The experimental setup involved collecting paired samples of exhaled breath and inspired air from mechanically ventilated patients in the intensive care unit, followed by gas chromatography-mass spectrometry analysis of selected target compounds. Comparison of breath and air samples showed that forty-four compounds were significantly more abundant in breath, suggesting endogenous or microbial origins. Notably, dimethyl sulphide, carbon disulphide, 2-pentylfuran, methyl acetate, methyl vinyl ketone, and several aldehydes and ketones were identified as key candidates for further investigation. Group comparisons revealed that 3-methylbutanal and 2-ethylacrolein were the strongest indicators of pneumonia status, with dimethyl sulphide, 2-pentylfuran, and D-limonene also displaying significant associations. While some aldehydes were less prevalent in diagnosed patients, this inverse trend could reflect altered host metabolism or faster clearance of oxidative stress products. Longitudinal analysis of selected patients revealed dynamic relationships between compounds and biomarkers, including inverse trends that aligned with infection resolution and simultaneous peaks, suggesting early metabolic signalling. These results demonstrate that specific compounds, particularly 3-methylbutanal, 2-ethylacrolein, dimethyl sulphide, and 2-pentylfuran, have potential as non-invasive biomarkers for infection detection and monitoring in the intensive care setting. The research underscores both the promise and challenges of using volatile organic compounds in diagnostics and highlights the necessity for further validation that includes microbiological data, therapeutic interventions, and standardised breath sampling protocols.

• Keywords: ventilator-associated pneumonia, volatile organic compounds, critical care diagnostics, biomarkers, exhaled breath analysis