Vydechovaný vzduch a poruchy metabolizmu

Ve vzduchu, který člověk vydechuje, jsou kromě původních složek přítomny těkavé látky, jež se do lidského těla dostaly buď zvenčí (se stravou či vdechnutím), nebo z metabolických pochodů v organizmu. Důkaz přítomnosti takových látek a jejich kvantitativní analýza poskytují cenné informace o tom, zda a do jaké míry se pacient dostal s příslušnými látkami do styku. Umožňují sledovat některé pochody v lidském organizmu a zkoumat, čím jsou řízeny či ovlivňovány, poskytují informace o různých poruchách. Produkty metabolických pochodů mají ve vydechovaném vzduchu velmi nízké koncentrace, a proto je lze většinou stanovit jen moderními, velmi citlivými fyzikálně-chemickými metodami. Odběr vydechovaného vzduchu nevyžaduje žádný zásah do organizmu (je neinvazivní) a pacientům je mnohem příjemnější než např. odběr krve ze žíly.

Které látky jsou vylučovány dechem?

Vyšetření vydechovaného vzduchu znají dobře řidiči motorových vozidel v souvislosti s kontrolou, zda před jízdou nepožili alkohol. Mnozí si dobře pamatují trubičku spojenou s plastovým balonkem, která se používala dříve. V dechovém testu jde především o způsob umožňující odebrat co nejpřesnější objem vzorku vydechovaného vzduchu. V nejmenších dýchacích cestách, průdušinkách, se vzduch při dýchacích pohybech hrudníku nepohybuje a obměňuje se pouze difuzí. Ve větších dýchacích cestách se naopak pohybuje tak rychle, že strhává kapénky z povrchu sliznice. Na počátku každého výdechu je nejprve vydechnut z „mrtvého prostoru“ dýchacích cest vzduch, který odpovídá vzduchu vdechovanému. Během každého dechového cyklu vdechneme a vydechneme kolem 500 ml vzduchu, přičemž asi 200 mililitrů představuje „mrtvý objem“. Technika odběru vydechovaného vzduchu má tedy zásadní vliv na koncentraci látek ve vzorku.

• Kyslík, oxid uhličitý a dusík. Základním smyslem dýchání je výměna kyslíku a oxidu uhličitého, jež spolu s dusíkem a vodní párou tvoří hlavní složku vydechovaného plynu. Oxid uhličitý vzniká dekarboxylací organických kyselin, především v Krebsově citrátovém cyklu (viz Vesmír 82, 630, 2003/12). Kyslík je spotřebováván (redukcí na vodu) hlavně v respiračním řetězci za pomoci složitého enzymu cytochromoxidázy. Při metabolizaci sacharidů a aminokyselin jako zdroje energie je poměr spotřebovaného kyslíku k vyprodukovanému oxidu uhličitému 1:1 (respirační kvocient je 1), kdežto při metabolizaci mastných kyselin (hlavní složky tuků) je respirační kvocient okolo 0,8. Stanovení tohoto poměru ve vydechovaném vzduchu může přinést cennou informaci o energetickém metabolizmu vyšetřované osoby.
• Vodní pára. Vydechovaný vzduch je téměř vždy nasycen vodní párou, což může značně komplikovat postup. Vymražením lze ale získat kondenzát, v němž se pak stanoví množství látek vypovídajících o stavu sliznice i tkáně pod ní (např. při zánětu dýchacích cest či astmatu). Jsou to: peroxid vodíku, izoprostany, leukotrieny, produkty metabolizmu oxidu dusnatého a další látky produkované bílými krvinkami i jinými buňkami, které se podílejí na vzniku a rozvoji zánětu.

• Oxid dusnatý a oxid uhelnatý. Další plyny jsou ve vydechovaném vzduchu obsaženy jen v malém množství, patří k nim například oxid dusnatý (má souvislost s napětím hladké svaloviny dýchacích cest) nebo oxid uhelnatý (vzniká při odbourávání tetrapyrrolového kruhu molekuly hemu, která je složkou hemoglobinu). Oba zmíněné plyny vznikají enzymatickými pochody. Jde samozřejmě o stopové koncentrace (dejme tomu jeden díl plynu na miliardu dílů ostatních plynů, např. jeden mikrolitr v metru krychlovém).

• Uhlovodíky. Vydechovaný vzduch obsahuje i řadu těkavých organických látek, které vznikají v organizmu. Jejich původ je rozdílný. Nejjednodušší uhlovodík metan (a spolu s ním i vodík) pochází z rozkladu nestrávených zbytků potravy v tlustém střevě, a protože je rozpustný ve vodě, účinně se vstřebává. Menší část těchto plynů odchází „přirozenou cestou“. Dalšími uhlovodíky pocházejícími z lidského organizmu jsou izopren (vzniká při syntéze cholesterolu), etan a pentan (oba vznikají při peroxidaci mastných kyselin) a další. Izopren, který vylučují nejen živočichové, ale i některé rostliny, je přirozenou složkou atmosféry.
• Aceton. Tato organická látka vzniká při metabolizmu sacharidů a tuků; u diabetiků při ketoacidóze ¹⁾ stoupá jeho množství až stonásobně.
• Metabolický etanol. Je přirozenou součástí vydechovaného vzduchu vznikající při anaerobní glykolýze. Přítomen je ale v koncentracích o mnoho řádů nižších než po požití alkoholického nápoje – podnapilí řidiči se na něj rozhodně nemohou vymlouvat.
• Éterické sloučeniny, organická rozpouštědla, oxid uhelnatý. Alkohol není jedinou látkou, která se při požití částečně vylučuje vydechovaným vzduchem. Zmiňme alespoň éterické sloučeniny (z česneku a cibule), popř. organická rozpouštědla po nadýchání nebo požití. Ve vzduchu, který vydechují kuřáci, je oxid uhelnatý vylučován řadu dní po vdechnutí. Ještě déle může být v dechu přítomen acetonitril – publikován byl případ, kdy byl zaznamenán i několik let po otravě způsobené vdechováním této látky.

Práce se vzorky vzduchu

Stanovení látek ve vydechovaných plynech lze rozdělit na čtyři fáze.

Odběr vzorku vydechovaného vzduchu. Vydechovaný vzduch nesmí být při odběru kontaminován z venkovního prostředí. Proto se často používá proplach plic vzduchem, v němž zaručeně nejsou obsaženy žádné ze zkoumaných látek. Stejně tak je nutno zabránit jakýmkoli ztrátám hledané látky (např. difuzi stěnami nádoby).

Důležitými faktory, které také mohou ovlivnit následující fáze, zejména analytické stanovení, jsou vlhkost a teplota vydechovaného vzduchu. Vodní párou se téměř nasytí již při průchodu nosní dutinou. Protože se během cesty dýchacím ústrojím neustále promíchává, nedosahuje jeho teplota téměř nikdy teploty těla, což může ovlivňovat koncentraci látek, které mají teplotu varu blízkou teplotě těla. Navržené způsoby odběru vydechovaného vzduchu lze dělit na dva typy.

Otevřené systémy – vyšetřovaná osoba dýchá běžný vzduch, vydechuje slámkou a jednotlivé výdechy jsou shromažďovány ve zkumavkách. Tyto způsoby jsou jednoduché, finančně nenáročné a nezatěžují vyšetřovanou osobu. Pro kvantitativní analýzu jsou však těžko reprodukovatelné.

Uzavřené systémy – vyšetřovaná osoba po určitou dobu vdechuje a vydechuje vzduch do jednoho objemného vaku (což může být stresující kvůli zvyšující se teplotě a obsahu oxidu uhličitého), nebo vdechuje kontrolovaný vzduch ze zásobníku přes dýchací masku a veškerý vydechovaný vzduch je sbírán do sběrného vaku. Tento způsob je snáze využitelný a přesnější, zároveň je ale finančně nákladnější a pro vyšetřovaného vzhledem k odporu ventilů náročnější. Také lze sbírat alveolární vzduch. Příslušné systémy obsahují „separátor vzduchu“, který odděluje frakci po výdechu „mrtvého objemu“ dýchacích cest (zhruba 150–300 ml).

Uchovávání a transport vzorku. Ne vždy je možné provádět analýzu vzduchu ihned po odběru, často je nutno zajistit jeho přepravu do laboratoře. Pro tento účel se používají různé typy skleněných plynových byret, absorpčních trubic s aktivním uhlím nebo pryskyřicemi, vaků, popřípadě kovových kanystrů. Stěny použitých nádob nesmějí být pro hledanou látku propustné, nesmějí s ní reagovat a musí být zajištěno a ověřeno, že se během transportu nezmění složení vzorku.

Vlastní analytické metody. Volba metody závisí na chemických a fyzikálních vlastnostech stanovované látky a na její koncentraci. Je třeba posoudit, zda se látka v analyzovaném dechu nachází v koncentraci, v jaké je zachytitelná některou ze známých analytických metod, nebo zda je nutno získat její koncentrát z většího objemu odebraného vydechovaného vzduchu. Například při známém testování řidičů je koncentrace alkoholu v dechu poměrně vysoká, a proto k jeho důkazu stačila i metoda, při níž se určité množství dechu fouklo do trubičky s dichromanem draselným (ten poskytl s etanolem charakteristickou barevnou reakci). Dnes se už používají spolehlivější přístroje, využívající elektrochemická čidla nebo absorpci infračerveného záření.

Metody vlastní analýzy vzorku je možné rozdělit na přímé a nepřímé. V obou těchto skupinách převažují techniky hmotnostní spektrometrie. U přímých je vzorek vydechován rovnou do analytického přístroje. Některé techniky jsou založeny na principu kvadrupólového hmotnostního spektrometru. ²⁾ Z ostatních přímých technik uveďme elektrochemické detektory (těmi se zjišťuje etanol, oxid uhelnatý u kuřáků či oxid uhličitý), diodové lasery v oblasti vlnové délky 4–12 μm, tj. v blízké infračervené oblasti. Přímé metody lze použít tehdy, jestliže stanovovaná látka poskytuje při použité analytické metodě charakteristický a specifický signál. Jde-li o směs látek, které by na detektoru dávaly stejný signál, je nutno látky nejprve rozdělit, nejčastěji plynovou chromatografií (obrázek). Nepřímé metody dále využívají předkoncentraci na aktivním uhlí, pryskyřicích nebo vymražení vzorku na kolonce ³⁾ chlazené tekutým dusíkem. Následuje tepelná desorpce při teplotách 200–300 °C. Uvolněné látky jsou pak převedeny na kolonu plynového chromatografu, obvykle spojeného s hmotnostním spektrometrem.

Velkým příslibem do budoucna jsou metody využívající přeměny různých substrátů značených stabilním izotopem uhlíku ¹³C. Činností enzymů v organizmu jsou tyto substráty přeměněny na ¹³CO₂ a ten je vydýchán. Stanovuje se poměr ¹³CO₂ a ¹²CO₂ hmotnostní spektrometrií nebo infračervenou absorpční spektrometrií. Nejznámější je ureázový test na Helicobacter pylori. Tato bakterie žije v buňkách žaludeční sliznice a právě ureáza, která mění močovinu na oxid uhličitý a zásaditý čpavek, jí pomáhá přežít extrémně nízké pH v žaludeční sliznici. Po požití ¹³C močoviny vytvoří bakterie ¹³CO₂, který je transportován krví do plic a následně zachycen ve vydechovaném vzduchu. Odběr vzorku je velmi jednoduchý – pacient vydechne slámkou do zkumavky, která se plynotěsně uzavře a odešle do laboratoře.

Vyhodnocení výsledků. Při přechodu z krve do vydechovaného vzduchu překonávají zmiňované látky řadu bariér, jejichž vlastnosti se u jednotlivců mohou lišit. Obecnou vlastností analytů ve vydechovaném vzduchu je jejich krátký poločas v krvi a rychlé uvolňování. Reagují tedy aktuálně na fyziologické a patologické změny v organizmu. Umožňují neinvazivně nahlédnout do dějů probíhajících např. na sliznici dýchacích cest.

Největším problémem dechových testů zůstává kvantitativní interpretace. Zatímco objem krve je v lidském organizmu konstantní (s přesností na několik procent), objem vzduchu při dýchání se liší v závislosti na fyzické aktivitě, psychickém stresu a dalších faktorech. Výsledkem těchto faktorů je vysoká biologická variabilita testů, která pochopitelně snižuje možnosti využití v klinické praxi. Metabolity ve vydechovaném vzduchu však mají jiné vlastnosti než parametry vyšetřované v tělních tekutinách, a proto mohou být cenným doplňkem při výzkumu metabolických pochodů a jejich poruch.

Krom toho je použitelnost uvedených metod limitována skutečností, že jde většinou o nákladné přístroje, které se dosud pro tento účel nevyrábějí sériově. A tak se s nimi pacienti i nadále setkávají zatím jen ve výzkumných centrech velkých nemocnic, i když lze předpokládat, že se tyto metody budou dále rozvíjet a budou využitelné v širší zdravotnické péči.