Эффективная диагностика онкологии мочеполовой системы на основе метаболитов выдыхаемого воздуха

Метаболомная диагностика в настоящее время считается наиболее перспективной для раннего определения заболевания. Метаболиты – сложные органические соединения, индицирующие протекание определенных биохимических реакций в организме. Статистически необычный уровень метаболитов может означать наличие заболевания. В отличие от инвазивного забора тканей органов для проведения лабораторных анализов, определить уровень лёгких метаболитов можно неинвазивно при исследовании выдыхаемого человеком воздуха.

Совместно с группой ученых из Института квантовой оптики Макса Планка, Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана на базе Урологической клиники и поликлиники LMU Klinikum (Германия) в период 2021-2023 гг. проведено пилотное исследование в малых группах (до 100 человек) здоровых и заболевших людей [1-5].

Отбор добровольцев проводился в госпитале, где врачи определяли наличие онкологии и её стадию путём анализа биопсии ткани (так называемый золотой стандарт), получаемой инвазивным методом. Инфракрасные спектры поглощения образцов выдыхаемых газов анализировались с целью определения молекулярного состава, используя базы данных спектров веществ. Затем применялись различные статистические методы для выявления групп больных и здоровых пациентов по различиям в интенсивности поглощения в выявленных участках спектров, пропорциональной концентрации соответствующих метаболитов. Примеры статистических различий в спектрах поглощения для групп больных и здоровых людей приведены на рис. 1.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Рис. 1. Примеры различий в спектрах поглощения для групп больных и здоровых людей, соответствующих разным концентрациям ацетальдегиду (a), метилбутирату (b), пропил пропионату (c), этил винил кетону (d) и ещё двум молекулам (e, f), выявленным как метаболитам, имеющим отношение к исследуемым заболеваниям

В результате было выявлено восемь специфических метаболитов, пять из которых являются продуктами жизнедеятельности бактерий мочеполовой системы. Впервые удалось получить точность выше 95% отделения группы больных раком простаты от контрольной (здоровой) группы, как и группы больных раком мочевого пузыря и почек от контрольной группы. Для сравнения существующий анализ на ПСА (простатический специфический антиген) тест имеет точность не выше 70%, что означает три неверных диагноза из десяти поставленных. Рис. 2 иллюстрирует степень разделения больных и здоровых пациентов методом главных значений по спектральным данным их выдоха. Полученный результат имеет высокую социальную значимость в связи с 4-м местом рака простаты по смертности в России. За последние 10 лет прирост заболеваемости составил почти 100%, а смертности - 30%, несмотря на развитие методов выявления и лечения.

Рис. 2. Иллюстрация степени разделения больных и здоровых (красные точки) пациентов методом главных значений по спектральным данным их выдоха

Если в дальнейших исследованиях подтвердится, что злокачественная опухоль возникает из-за заражения мочеполовой системы бактериями, то после их идентификации можно будет предложить стратегию медикаментозного лечения против этих бактерий, по аналогии с успешно развитым методом профилактики рака желудка, когда этому предшествует заражение бактерией Helicobacter pylori (как правило, в случае гастрита). Предполагаемый успех идентификации бактерий мочеполовой системы даст шанс на предотвращение онкологии не только простаты, но и почек, и мочевого пузыря.

Развиваемый метод диагностики относится к неинвазивным. Такие методы благоприятно сказываются на регулярности проведения мониторинга здоровья и в результате делают возможным более раннее выявление заболевания.

Публикации

1. Apolonski A., Maiti K.S. Towards a standard operating procedure for revealing hidden volatile organic compounds in breath: the Fourier-transform IR spectroscopy case // Appl. Opt. 2021. V. 60, Iss. 14. P. 4217-4224. DOI 10.1364/AO.421994.
2. Maiti K.S., Fill E., Strittmatter F., Volz Y., Sroka R., Apolonski A. Towards reliable diagnostics of prostate cancer via breath // Sci. Rep. 2021, V. 11, Paper 18381 (11 p.). DOI 10.1038/s41598-021-96845-z.
3. Maiti K.S., Roy S., Lampe R., Apolonski A. Detection of disease-specific volatile organic compounds using infrared spectroscopy // Engineering Proc. 2021. V. 8(1). Paper 15 (5 p.). DOI 10.3390/engproc2021008015.
4. Maiti K.S., Fill E., Strittmatter F., Volz Y., Sroka R., Apolonski A. Accurate diagnosis of prostate cancer via infrared spectroscopy of breath // Proc. SPIE. V. 11919, Translational Biophotonics: Diagnostics and Therapeutics (7 December 2021). Paper 119190M (2 p.). DOI 10.1117/12.2614582.
5. Maiti K.S., Fill E., Strittmatter F., Volz Y., Sroka R., Apolonski A. Standard operating procedure to reveal prostate cancer specific volatile organic molecules by infrared spectroscopy // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2024 (available online 22 August 2023). V. 304. Article 123266 (8 p.). DOI 10.1016/j.saa.2023.123266.