Волатомика при воспалительных заболеваниях кишечника и синдроме раздражённого кишечника. Инновации в диагностике ВЗК/СРК

Чем пахнет язвенный колит. Разработан новый метод диагностики ВЗК и СРК по запаху21

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВСТУПЛЕНИЕ
2. Литературный обзор
3. Результаты
3.1. Единичные ЛОС для диагностики и мониторинга
3.2. Дискриминативные модели, сочетающие ЛОС
3.3. Микробное влияние
3.4. Персонализированная медицина
3.5. Метаболические пути и ЛОС
4. Сильные стороны, ограничения и перспективы
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Летучие органические соединения (ЛОС) образуются в результате метаболизма человека, воспалительных реакций, а также кишечной микробиоты, что составляет основу инновационных исследований в области волатомики.

Таким образом, ЛОС, обнаруживаемые с помощью анализа дыхания и фекалий, служат привлекательными неинвазивными биомаркерами для диагностики и мониторинга синдрома раздражённого кишечника (СРК) и воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК).

Этот обзор описывает клиническую применимость волатомики для различения СРК, ВЗК и здоровых волонтёров с приемлемой точностью в образцах дыхания (70-100%) и фекалий (58-85%).

Перспективными соединениями являются пропан-1-ол для диагностики и мониторинга больных ВЗК и 1-метил-4-пропан-2-илциклогекса-1,4-диен в качестве биомаркера для диагностики СРК.

Однако эти ЛОС часто, по-видимому, связаны с воспалением и, вероятно, должны будут использоваться в сочетании с другими клиническими доказательствами.

Кроме того, три интервенционных исследования подчеркнули потенциал ЛОС в прогнозировании результатов лечения и последующего наблюдения за пациентами.

Это показывает большие перспективы для будущего использования ЛОС в качестве неинвазивных биомаркеров дыхания и фекалий в персонализированной медицине.

Однако, правильно разработанные исследования, отслеживающие корреляцию ЛОС с патогенезом ВЗК/СРК, принимая во внимание микробные влияния, все ещё являются недостаточными для внедрения ЛОС в клиническую практику.

Новый подход к диагностике заболеваний кишечника

1. ВСТУПЛЕНИЕ

Пациенты с хроническими болями в животе и изменениями в характере стула подвергаются инвазивным процедурам для дифференциации синдрома раздражённого кишечника (СРК), воспалительного заболевания кишечника (ВЗК), целиакии и рака толстой кишки.

Наиболее распространённым из этих заболеваний является СРК с 11%, за которым следуют рак толстой кишки (8%), целиакия (1%) и ВЗК (0,3%).

В частности, дифференциальная диагностика между СРК и ВЗК является сложной задачей, поскольку и то, и другое может проявляться сходным образом, особенно когда ВЗК находится в стадии ремиссии.

СРК характеризуется болями в животе и изменёнными привычками кишечника при отсутствии органических заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Его этиология остаётся неизвестной, хотя пациенты часто сообщают об инфекционном, травматическом или стрессовом событии, предшествующем появлению симптомов.

Патогенетические механизмы, скорее всего, многофакторны, включая повышенную проницаемость кишечника, дисмоторику, дисбактериоз кишечника, пищевую гиперчувствительность, висцеральную гиперчувствительность, дисрегуляцию оси мозг-кишечник, воспаление, генетику и психологический стресс.

СРК оказывает серьёзное влияние на качество жизни и несёт ответственность за высокие расходы на здравоохранение.

Четыре подтипа СРК описаны в соответствии с доминирующим типом стула и на основе римских критериев: диарея (СРК-д), запор (СРК-з), смешанный (СРК-с) и неклассифицированный (СРК-н/к).

ВЗК включает в себя неспецифический язвенный колит (НЯК) и болезнь Крона (БК), которые имеют свои собственные отчётливые патологические и клинические характеристики.

Примерно 2,5-3 миллиона человек в Европе страдают ВЗК, и у них до 18% повышен риск развития рака толстой кишки.

ВЗК вызывается хронически рецидивирующим и неконтролируемым воспалением кишечника, которое может быть трудно поддающимся лечению.

Лечение ВЗК фокусируется на подавлении иммунитета, что связано с побочными эффектами (подавление костного мозга, инфекции) и низкой частотой ответа.

Люди с подозрением на ВЗК проходят скрининг на наличие обострения и воспаления путём измерения фекального кальпротектина – маркера кишечного нейтрофильного воспаления.

Однако кальпротектин является неспецифическим маркером воспаления (чувствительность 83-100%, специфичность 60-100%), и окончательный диагноз ставится на биоптатах, собранных с помощью колоноскопии, что несёт в себе риск возникновения боли, кровотечения и перфорации.

При СРК и ВЗК возрастает интерес к роли микробиоты, которая влияет на физиологию кишечника, всасывание питательных веществ, активацию и развитие иммунной системы.

Нормальная, здоровая микробиота характеризуется высоким индивидуальным разнообразием и стабильностью во времени. Однако существует высокая межиндивидуальная изменчивость.

Некоторые желудочно-кишечные заболевания связаны с дисбактериозом, снижением этого разнообразия и стабильности. Состав микробиоты тесно связан с консистенцией стула и сильно зависит от экзогенных факторов, таких как антибиотики и пища.

Неинвазивная диагностика и мониторинг заболеваний — это «Святой Грааль» для клиницистов. От 33% до 57% пациентов с ВЗК в стадии ремиссии имеют нарушения моторики и/или чувствительности, напоминающие СРК, что затрудняет их дифференциальный диагноз.

Существует настоятельная необходимость в разработке неинвазивных биомаркеров, облегчающих диагностику и последующее наблюдение за пациентами с СРК и ВЗК.

Новым достижением в этой области является исследование волатомики, включающей летучие органические соединения (ЛОС).

ЛОС имеют низкую молекулярную массу (<300 Да), высокое давление паров при комнатной температуре и образуются в ходе физиологических и патологических метаболических процессов (воспаление/окислительный стресс) в организме человека.

Кроме того, ЛОС могут также происходить из экзогенных источников (пища/лекарства) и также микробного метаболизма. При этом, ЛОС выделяется и обнаруживается в моче, поверхности кожи, крови, кале и выдыхаемом воздухе.

Два соединения уже используются в клинической практике для оценки нарушения всасывания углеводов и избыточного роста бактерий при анализе дыхания: метан (СН4) и водород (Н2).

Поскольку ВЗК и СРК ассоциированы с воспалением и микробными изменениями, волатомика предлагает неинвазивный инструмент для помощи в диагностике, лечении и последующем наблюдении.

В настоящем обзоре описаны современные знания об использовании волатомики для:

  • (дифференциальной) диагностики СРК и ВЗК;
  • различения подтипов заболеваний, фенотипов, «активных» и «спокойных» заболеваний;
  • мониторинга реакции на лечение и изучения влияния микробиоты на состав ЛОС.
Волатомика в диагностике заболеваний кишечника. Анализ научных исследований

2. Литературный обзор

Мы использовали системный подход для поиска литературы, касающейся ЛОС при СРК и ВЗК. Статьи, изучающие метан или водород, были исключены, поскольку недавние обзоры показали их потенциальное клиническое применение, хотя и с важными ограничениями из-за метаболических и микробных вариаций.

Качество статей оценивалось с помощью инструмента оценки качества AXIS для поперечных исследований.

Единичные летучие органические соединения для диагностики и мониторинга НЯК, болезни Крона и СРК

3. Результаты

3.1. Единичные ЛОС для диагностики и мониторинга

Дифференциация пациентов от здоровых людей позволяет идентифицировать изменения ЛОС.

Однако, хотя здоровые волонтёры (ЗВ) редко встречаются в клинической практике и, следовательно, их привлечение имеет ограниченную клиническую полезность, информация об их исходном состоянии представляет интерес для оценки того, приводит ли лечение пациентов к нормализации ЛОС.

Что ещё более важно, способность различать тесно связанные заболевания будет иметь ключевое значение.

Учитывая клиническую применимость, далее будут обсуждаться только соединения, описанные в более чем одном исследовании.

3.1.1. Воспалительное заболевание кишечника

При сравнении пациентов с БК (активным и ремиссионным) и ЗВ в многочисленных исследованиях было описано 10 соединений (рис. 1А). Шесть из этих соединений были описаны дважды одной и той же исследовательской группой, в основном с использованием одних и тех же или перекрывающихся изучаемых популяций.

Сюда можно отнести и пентан, что было подтверждено Pelli и др., только в отношении активного БК. 2-метилбута-1,3-диен и метилсульфанилметан были обнаружены повышенными в дыхании пациентов с БК. Что касается содержания сульфана в выдыхаемом воздухе, здесь были получены противоречивые результаты.

Пропан-1-ол был повышен в кале и дыхании в четырёх исследованиях, включая пациентов с БК. При активном БК в образцах фекалий в двух исследованиях одной и той же исследовательской группы было обнаружено увеличение содержания 6-метилгептана-2-он, гептанала и пиперидина-2-он.

Не было обнаружено никаких общих соединений, дифференцирующих пациентов с БК в ремиссии от ЗВ, что свидетельствует о нормализации ЛОС до исходного уровня.

В двух исследованиях было обнаружено увеличение содержания пентана в дыхании у пациентов с НЯК, что было подтверждено другим исследованием у пациентов с активным язвенным колитом.

Индивидуальные летучие органические соединения при ВЗК и СРК. Новый метод диагностики ВЗК и СРК
Рисунок 1 — Индивидуальные ЛОС при ВЗК и СРК
Соединения, описанные в нескольких исследованиях, выделены жирным шрифтом.
↑ — повышенная регуляция. ↓ — пониженная регуляция.

3.1.2. Синдром раздражённого кишечника

Только одно соединение (1-метил-4-пропан-2-илциклогекса-1,4-диен) было увеличено в образцах фекалий и дыхания (рис. 1В) при сравнении пациентов с СРК и ЗВ.

3.1.3. Дифференциальная диагностика

Что касается использования индивидуальных ЛОС для дифференциальной диагностики, то в четырёх статьях (по две на одну группу) описано увеличение содержания пропан-1-ола в дыхании и фекалиях пациентов с БК по сравнению с пациентами с СРК-д.

При сравнении НЯК с СРК-д в многочисленных исследованиях не было выявлено никаких общих черт. Однако 1-метил-4-пропан-2-илциклогекса-1,4-диен был обнаружен только у пациентов с СРК (дыхание и кал).

3.1.4. Мониторинг воспалительных заболеваний кишечника

Пациенты с БК и НЯК имеют частые обострения заболевания. Таким образом, анализ ЛОС обладает потенциалом для мониторинга активности заболевания и оценки эффекта лечения для руководства персонализированной медициной.

Отмечено снижение содержания дыхательного пентана у больных БК и НЯК в период ремиссии по сравнению с активным течением заболевания. Это неудивительно, поскольку пентан был идентифицирован как маркер перекисного окисления липидов, что делает его неспецифическим воспалительным биомаркером.

После лечения больных БК в двух исследованиях из одной и той же исследовательской группы было обнаружено значительное снижение содержания шести фекальных соединений:

  • 3-метилбутановой кислоты;
  • бутан-1-ола;
  • бутановой кислоты;
  • этилбутаноата;
  • этилпропаноата;
  • метилбутаноата.

Снижение содержания пропан-1-ола в дыхании и фекалиях было описано в четырёх статьях (две из них принадлежат одной и той же группе).

Волатомика и ВЗК, СРК. Новое направление в диагностике заболеваний кишечника

3.2. Дискриминативные модели, сочетающие ЛОС

3.2.1. Технологические и методологические вопросы

Идентификация соединений представляет большой интерес для изучения лежащих в их основе патологических механизмов. Однако не все аналитические подходы позволяют проводить химическую идентификацию ЛОС, как GC–MS, но распознают сенсорные реакции на основную массу ЛОС как паттерны или летучие «отпечатки пальцев», как энозы.

Кроме того, ни один ЛОС не был обнаружен и не был подтверждён несколькими исследовательскими группами, что привело к незначительной клинической ценности для использования в качестве автономного биомаркера для (дифференциальной) диагностики.

Поэтому объединение ЛОС в панели биомаркеров должно позволить создать дискриминационные алгоритмы с повышенной чувствительностью и специфичностью для точной диагностики, дифференциации и мониторинга пациентов с течением времени.

В шестнадцати статьях описывалось 17 алгоритмов, основанных на образцах дыхания, кала и мочи: 2 — различение пациентов с ВЗК от ЗВ, 5 — различение пациентов с БК от ЗВ, 4-различение НЯК от ЗВ и 6-различение СРК от ЗВ.

При отборе проб ЛОС в различных матрицах и даже в пределах одного и того же источника выборки наблюдалось большое методологическое разнообразие.

Кроме того, большинство статей объединяли ЛОС в дискриминантные панели с помощью различных регрессионных моделей, две статьи использовали eNose (электронный нос) для обнаружения паттерна дыхания на основе изменений датчиков, анализируемых с помощью инструментов распознавания образов, таких как анализ основных компонентов (PCA).

PCA сводит большой набор переменных к небольшой выборке, содержащей большую часть информации набора, путём преобразования ряда коррелированных переменных в меньшее число некоррелированных переменных, называемых главными компонентами.

Хотя в некоторых исследованиях сообщалось об отдельных соединениях, которые строят эти дискриминационные модели, другие исследования не проводились или использовалась сенсорная технология, которая не идентифицирует отдельные соединения, но сравнивает отклики датчиков с помощью инструментов распознавания образов.

Таким образом, используя PCA и анализ тепловой карты, большинство исследований позволили чётко отличить здоровых волонтёров от пациентов на основе их паттерна дыхания.

3.2.2. Воспалительное заболевание кишечника

При различении пациентов с БК от ЗВ в дыхании и кале точность варьировалась в пределах 85-97%, чувствительность — в пределах 69-96%, специфичность — в пределах 67-99%, а площадь под рабочими характеристическими кривыми приёмника (AUCROC) — в пределах 0,77-0,99.

Различение пациентов с НЯК от ЗВ в дыхании и фекалиях дало точность, чувствительность, специфичность и AUCROC в диапазоне 58-96%, 43-91%, 62-94% и 0,54-0,74 соответственно, причём более низкие цифры были обнаружены в фекальных моделях. Это может быть связано с большим микробным влиянием в образцах фекальных ЛОС.

3.2.3. Синдром раздражённого кишечника

Дифференциация пациентов с СРК от здоровых волонтёров по дыханию, фекалиям и моче приводит к точности, чувствительности, специфичности и AUCROC соответственно между 46-68%, 38-89%, 71-80% и 0,44-0,92.

3.2.4. Дифференциальная диагностика

В отличие от большего числа исследований, сравнивающих пациентов с ЗВ, только восемь моделей проводили дискриминацию между популяциями пациентов, чтобы оценить клиническую полезность ЛОС для дифференциальной диагностики.

Два описали дифференциацию между ВЗК и пациентами с СРК (фекалии), два между БК и пациентами с НЯК (дыхание), один между СРК и пациентами с БК (фекалии), один между СРК и пациентами с НЯК (фекалии), один между СРК и пациентами с целиакией (моча) и один между ВЗК и пациентами с колитами без ВЗК (дыхание).

Модели, различающие группы пациентов, имеют лучшую производительность, чем те, которые сравнивают пациентов с ЗВ, с точностью в диапазоне от 68 до 97%, чувствительностью от 67 до 90%, специфичностью от 62 до 90% и AUCROC от 0 до 0,70 до 0,97.

Однако большинство этих моделей были разработаны в рамках исследований одного центра без независимой внешней проверки другими.

3.2.5. Мониторинг воспалительных заболеваний кишечника

В одном исследовании проводилась дискриминация пациентов с активным БК и БК в ремиссии (AUCROC: 0,88), что предполагало возможность наблюдения за пациентами с течением времени и мониторинга активности заболевания.

Тем не менее, ЛОС, используемые в этом алгоритме, оставались неопознанными, и эти результаты не были подтверждены, ограничивая его нынешнюю клиническую реализацию.

В двух исследованиях сравнивались пациенты с активным ВЗК (БК и НЯК) и ВЗК в стадии ремиссии, а также с пациентами с СРК и ЗВ. Анализ PCA чётко разделял пациентов с активным БК, БК в ремиссии и ЗВ, но пациенты с активным НЯК, НЯК в ремиссии и ЗВ не могли быть дифференцированы.

Второе исследование показало хорошее разделение между пациентами с активным НЯК и НЯК в ремиссии, но не между объединёнными пациентами с активным ВЗК (БК и НЯК) и ВЗК в ремиссии.

Эти противоречивые результаты подчёркивают необходимость дальнейших исследований по оценке активного заболевания и заболевания в стадии ремиссии, прежде чем делать окончательные выводы и внедрять ЛОС в клиническую практику.

Волатомика при ВЗК и СРК. Микробное влияние

3.3. Микробное влияние

При СРК и ВЗК микробиота играет важную роль и поэтому вносит основной вклад в анализ ЛОС. Микробные изменения влияют на метаболические процессы в организме (проницаемость, пищеварение), а сама микробиота продуцирует многочисленные ЛОС.

Следовательно, у этих пациентов можно ожидать изменения состава ЛОС, особенно при изучении фекальных ЛОС с учётом их непосредственного контакта с кишечной микробиотой.

Остаётся неясным, продуцируются ли ЛОС микробиотой или врождённой патологией пациента.

С помощью PCA и канонического корреляционного анализа 18 ЛОС достоверно коррелировали с 19 бактериальными таксонами при активном заболевании, и 17 ЛОС коррелировали с 17 бактериальными таксонами у пациентов в стадии ремиссии.

Три бактериальных таксонов и девять летучих органических веществ присутствовали в активном и неактивном заболевании. Это исследование было первым, доказавшим взаимодействие ЛОС с микробиотой, и подчеркнуло необходимость учёта микробного состава в будущих исследованиях.

Болезнь Крона, НЯК и СРК. Персонализированная медицина

3.4. Персонализированная медицина

Для СРК в настоящее время не существует «универсального» лечения, что делает его громоздким процессом проб и ошибок, который может негативно сказаться на комфорте пациента.

Кроме того, ответ на лечение должен быть оценён и соответствующим образом скорректирован. Поэтому прогностические биомаркеры для предварительного выбора наиболее подходящего лечения представляют большой интерес, удовлетворяя растущий спрос на персонализированную медицину.

Walton и др. проведено интервенционное исследование, изучающее влияние лечения на состав ЛОС в фекалиях у пациентов с БК, НЯК и СРК. Все пациенты получали двухнедельное лечение: пациенты с БК (n = 8) получали элементарное питание, в котором белки расщепляются на отдельные аминокислоты, пациенты с НЯК (n = 12) получали пероральные кортикостероиды и производные 5-аминосалициловой кислоты без специфической диеты, а пациенты с СРК (n = 4) получали исключающую диету.

До начала лечения у больных БК по сравнению с другими группами наблюдалось достоверное повышение концентрации ЛОС в фекалиях, таких как сложные эфиры и спиртовые производные короткоцепочечных жирных кислот и индола.

У пациентов с НЯК и СРК уровни индола и фенола имели тенденцию быть выше по сравнению с ЗВ. После лечения концентрация ЛОС в фекалиях нормализовалась до уровня ЗВ.

Во втором интервенционном исследовании (с самым высоким качеством) той же группы оценивался эффект энтерального питания у больных БК (n = 17) и ЗВ (n = 7).

У ЗВ одна неделя энтерального питания повышала уровень индола и фенола в дыхании вместе с изменением цвета стула и индукцией галитоза.

У больных БК энтеральное питание улучшало симптомы заболевания, снижало уровень С-реактивного белка (СРБ) и снижало фекальные концентрации короткоцепочечных жирных кислот, метиловых и этиловых эфиров этих жирных кислот, пропан-1-ола и 1-бутанола.

В исследованиях Rossi и др. рандомизированные пациенты с СРК получали диету с низким содержанием ФОДМП по сравнению с фиктивной диетой и пробиотическую диету по сравнению с плацебо в течение четырёх недель.

Фекальные ЛОС анализировались в исходном состоянии и после обработки с помощью Одоредера (Odoreader), который имеет передний конец GC и детектор газового датчика, благодаря которым обнаруживает паттерны.

Модели ЛОС для прогнозирования ответа на лечение на исходном уровне привели к высокой точности (модель с низким содержанием ФОДМП: 97% и пробиотическая модель: 89%) для групп лечения.

Однако при применении тех же моделей в контрольных группах (фиктивный/плацебо) была достигнута низкая точность (модель с низким содержанием ФОДМП: 40,9% и пробиотическая модель: 45,5%). Это означает, что эти модели специфичны для ответа на низкие дозы ФОДМП и/или пробиотиков, а не для ответа на терапию в целом, и подчёркивает потенциальное использование ЛОС в качестве неинвазивных прогностических маркеров для оптимизации индивидуального лечения.

Волатомика в лечении кишечника

3.5. Метаболические пути и ЛОС

Большинство индивидуальных соединений ЛОС, описанные в настоящем обзоре, являются эндогенными или экзогенно-присутствующими в пище или продуцируемые микробиотой.

Эндогенные соединения играют роль в нескольких метаболических путях, таких как метаболизм липидов, бутаноатов, этанола, соединений серы, пропаноатов и кетонов, а также в биосинтезе тропанов, пиперидинов, пиридиновых алкалоидов и терпеноидных костных структур.

Значительное количество дискриминантных соединений составляют короткоцепочечные жирные кислоты и часть метаболитов бутаноата, пропаноата и ацетата.

Короткоцепочечные жирные кислоты являются основными метаболическими продуктами анаэробной бактериальной ферментации, служащими топливом для эпителиальных клеток кишечника, а также модулирующими поглощение электролитов и воды.

Что ещё более важно, они обладают противовоспалительными свойствами и опосредуют влияние микробиоты на иммунную функцию кишечника.

Вторым соединением, появляющимся в панелях биомаркеров, является индол. Он образуется в результате бактериального метаболизма l-триптофана и обладает противовоспалительными свойствами, что ещё раз подчёркивает важность микробного влияния на ЛОС.

В настоящее время невозможно идентифицировать обнаруженные соединения как происходящие из метаболических путей и/или из переваривания пищи или лекарств.

Более того, все эти пути находятся в постоянном взаимодействии с воспалительными процессами. Эта тесная синергия может объяснить противоречивые результаты различных исследований и подчёркивает необходимость уточнения и изучения метаболизма и распределения ЛОС в различных матрицах организма.

СРК — это очень изменчивое состояние по сравнению с ВЗК, что соответствует противоречивым результатам определения ЛОС у пациентов с СРК. По-видимому, большинство ЛОС, обнаруженных у пациентов с ВЗК, связаны с воспалением, а не являются специфичными для заболевания. Это подчёркивает необходимость проведения будущих исследований по объединению ЛОС в группы для повышения специфичности дискриминации.

Сильные стороны, ограничения и перспективы применения волатомики в диагностике ВЗК и СРК

4. Сильные стороны, ограничения и перспективы

Перспективные ЛОС для (дифференциальной) диагностики включают пропан-1-ол в дыхании и кале, который позволит дифференцировать пациентов с БК от ЗВ и пациентов с СРК.

Пентан в дыхании позволяет отличить пациентов с БК и НЯК от ЗВ. Кроме того, 1-метил-4-пропан-2-илциклогекса-1,4-диен был обнаружен только у пациентов с СРК, что делает его перспективным биомаркером, отличающим СРК от ЗВ.

Диагноз СРК в настоящее время основывается на IV римских критериях, за исключением органического заболевания. Однако эти критерии не являются специфическими, что подчёркивает необходимость разработки специального диагностического теста для СРК.

Использование ЛОС для мониторинга заболеваний продемонстрировало снижение уровня пентана в дыхании в тех случаях, когда пациенты с БК или НЯК находятся в стадии ремиссии.

Ремиссия у больных БК также была связана со снижением содержания метаболитов микробных короткоцепочечных жирных кислот в фекалиях, что свидетельствует о корреляции с микробными изменениями, индуцированными лечением.

Однако эти индивидуальные ЛОС имеют ограниченную специфичность. Они, как правило, связаны с воспалением, а также могут быть изменены при других заболеваниях. Например, 1-пропанол ранее был обнаружен при целиакии, а 1-метил-4-пропан-2-илциклогекса-1,4-диен — при колоректальном раке.

С другой стороны, пентан был обнаружен не только при БК и НЯК, но и при астме, сердечной недостаточности и неалкогольной жировой болезни печени.

Уровень пентана в дыхании является показателем перекисного окисления липидов и поэтому может служить маркером общего воспаления, ферроптоза или апоптоза.

Это подчёркивает необходимость объединения этих ЛОС в дискриминационных моделях с другими клиническими / биохимическими данными для повышения специфичности заболевания, особенно для его мониторинга.

Кроме того, необходимо предусмотреть соответствующие меры контроля. Многие исследования, включённые в этот обзор, сравнивали пациентов с ЗВ. Однако клинически было бы более полезно сосредоточиться на сравнении симптоматических групп пациентов. Поэтому будущие исследования должны быть сосредоточены на сравнении этих симптоматических групп.

Кроме того, модели ЛОС, дифференцирующие пациентов с БК от ЗВ, по-видимому, являются наиболее успешными. Напротив, модели, дискриминирующие пациентов с СРК от ЗВ, показали самую низкую дискриминантную способность, что можно объяснить гетерогенностью популяции.

Существует широкий разброс данных ЛОС в популяции СРК, причём некоторые из них являются явно аберрантными, а другие напоминают ЗВ. Это подчёркивает важность изучения отдельных подтипов СРК в будущем для повышения однородности.

Субтипирование пациентов имеет решающее значение не только при СРК, но и при ВЗК, поскольку основной патогенез БК и НЯК существенно различается.

В идеале пациенты с активным и ремиссионным течением заболевания также должны быть дифференцированы, поскольку первые результаты свидетельствуют о нормализации профилей ЛОС в период ремиссии.

Следовательно, объединение этих пациентов может привести к потере важной информации. Большинство включённых исследований являются пилотными с небольшими размерами выборки подгрупп.

Потенциал анализа летучих органических соединений в лечении ВЗК и СРК
Рисунок 2 — Потенциал анализа ЛОС в лечении СРК и ВЗК
ЛОС могут возникать в результате метаболических процессов, как физиологических, так и патофизиологических (воспаление или окислительный стресс), а также микробиоты. Следовательно, обострения заболеваний или изменение микобиального состава могут быть отражены в изменениях ЛОС. Тем не менее, это также подчёркивает потенциал смешивания внешних факторов, таких как лекарства и диета, которые необходимо учитывать. ЛОС высвобождаются клетками желудочно-кишечного тракта и могут выводиться с калом, но также транспортируются через кровоток и, следовательно, могут быть обнаружены в дыхании и моче, предлагая неинвазивные альтернативы для будущего лечения заболеваний.

Поскольку в дыхании обнаруживается больше ЛОС, чем число пациентов, включённых в исследования, это может привести к чрезмерной подгонке данных, что в свою очередь приведёт к чрезмерно оптимистичным результатам.

Поэтому для будущих исследований важно учитывать это и использовать статистические данные о сокращении масштабов и включать достаточное число участников в каждую подгруппу.

Три интервенционных исследования продемонстрировали дополнительную ценность анализа ЛОС для оценки ответа на лечение, а также для прогнозирования ответа на конкретное вмешательство и, следовательно, для выбора наилучшего варианта лечения.

Это указывает на необходимость разработки нескольких моделей изменчивости, которые индивидуально связаны с конкретным вмешательством, чтобы иметь возможность точно дать правильное и наиболее эффективное лечение отдельным пациентам.

При рассмотрении ЛОС в этих моделях можно заметить ограниченное совпадение. Это отражает неоднородность между исследованиями и подчёркивает необходимость стандартизированной выборки, как это рекомендуется в современных руководствах по анализу дыхания.

Изучая ЛОС, индуцируемые микробиотой, можно вывести внутренние ЛОС, происходящие из патогенного метаболизма человека.

ЛОС в этом обзоре были в основном получены из путей с сильной синергией воспалительных процессов. Эти знания могут быть реализованы в экспериментах in vitro или in vivo, а также при разработке новых моделей мышей или крыс, колонизированных человеческой микробиотой.

Это позволит ещё больше продвинуть исследования СРК и ВЗК, позволив валидировать результаты.

Кроме того, было бы интересно узнать о вкладе микробных ЛОС в физиологию человека и развитие симптомов при болезненных состояниях. Сравнение профилей активного и ремиссионного заболевания даст представление о механизмах различных вариантов лечения.

Корреляция профилей ЛОС с микробиотой пациента прольёт свет на роль микробиоты в развитии симптомов и взаимодействии с лекарственными препаратами и диетой.

Большая межиндивидуальная изменчивость микробного состава, даже у ЗВ, затрудняет определение исходных значений и может препятствовать разработке диагностических тестов. Поэтому необходимы дополнительные исследования, изучающие взаимодействие между ЛОС и микробиотой у ЗВ и пациентов.

В целом современные исследования весьма разнообразны и неоднородны, с различными критериями включения и исключения, методами отбора проб и аналитическими методами.

В нескольких исследованиях обсуждалось влияние обработки образцов, транспортировки, условий хранения и подготовки к анализу ЛОС. Кроме того, различные технологии не обязательно дают одинаковые результаты, и даже использование одного и того же оборудования не является гарантией, поскольку настройки могут отличаться.

Большинство статей использовали дыхание и фекалии в качестве матрицы ЛОС, и только четыре статьи изучали мочу. Дальнейшие исследования корреляции между дыханием, фекальными и мочевыми ЛОС могут дать представление о метаболических процессах ЛОС.

Кроме того, следует принимать во внимание экологическую путаницу. Такие характеристики, как раса, культурное окружение, диета, лекарства и образ жизни, оказывают влияние на микробный состав и, следовательно, ЛОС.

Например, 1-метил-4-пропан-2-илциклогекса-1,4-диен у пациентов с СРК может происходить из экзогенных (диета) и эндогенных (стабилизация клеточной мембраны и клеточной сигнализации) источников.

Запись диеты могла бы пролить свет на биохимическое происхождение этих ЛОС. Важно идентифицировать все смешивающие факторы, чтобы лучше понять их влияние на ЛОС и сопоставить пациентов и контрольные группы. Поэтому в будущем следует учитывать вышеупомянутые факторы при планировании исследований.

Перспективы использования волатомики в диагностике НЯК, болезни Крона и СРК

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Волатомика в диагностике и последующем наблюдении за пациентами с ВЗК и СРК демонстрирует огромный потенциал. Перспективными диагностическими ЛОС, представляющими интерес, являются пропан-1-ол при БК и 1-метил-4-пропан-2-илциклогекса-1,4-диен при СРК, в дыхании и фекалиях.

Однако волатомика ещё не привела к созданию клинически полезного и валидированного инструмента биомаркеров из-за технических и качественных проблем.

Кроме того, ЛОС также демонстрируют явный потенциал для неинвазивной оценки эффективности лечения и персонализированной медицины.

Дальнейшее развитие наших знаний, выявление основных патофизиологических механизмов и новых терапевтических мишеней может оказать существенное влияние на стоимость лечения пациентов и медицинского обслуживания, поскольку диагностика и последующее наблюдение часто являются обременительными и дорогостоящими.

Будущие исследования должны сосредоточиться на этих вопросах и провести адекватно разработанные качественные исследования с учётом факторов окружающей среды и руководящих принципов для продвижения в разработке неинвазивного теста на СРК и ВЗК.

В будущем, биомаркеры ЛОС будут наиболее полезны в сочетании с другими (клиническими) параметрами, особенно при мониторинге заболевания.

Литература

1. A.R. Marley, H. Nan. Epidemiology of colorectal cancer. Int J Mol Epidemiol Genet, 7 (3) (2016), pp. 105-114.

2. S.C. Ng, H.Y. Shi, N. Hamidi, et al. Worldwide incidence and prevalence of inflammatory bowel disease in the 21st century: a systematic review of population-based studies. Lancet, 390 (10114) (2018), pp. 2769-2778.

3. L. Zhang, J. Song, X Hou. Mast cells and irritable bowel syndrome: from the bench to the bedside. J Neurogastroenterol Motil, 22 (2) (2016), pp. 181-192.

4. D.N. Defrees, J. Bailey. Irritable bowel syndrome: epidemiology, pathophysiology, diagnosis, and treatment. Prim Care, 44 (4) (2017), pp. 655-671.

5. B.E. Lacy, N.K. Patel. Rome criteria and a diagnostic approach to irritable bowel syndrome. J Clin Med, 6 (11) (2017), p. 99.

6. D.H. Kim, J.H. Cheon. Pathogenesis of inflammatory bowel disease and recent advances in biologic therapies. Immune Netw, 17 (1) (2017), pp. 25-40.

7. L. Wang, A. Mannalithara, G. Singh, U Ladabaum. Low rates of gastrointestinal and non-gastrointestinal complications for screening or surveillance colonoscopies in a population-based study. Gastroenterology, 154 (3) (2018). 540-555.

8. J. Sundin, L. Ohman, M Simren. Understanding the gut microbiota in inflammatory and functional gastrointestinal diseases. Psychosom Med, 79 (8) (2017), pp. 857-867.

9. G. Falony, M. Joossens, S. Vieira-Silva, et al. Population-level analysis of gut microbiome variation. Science, 352 (6285) (2016), pp. 560-564.

10. M. Rondanelli, F. Perdoni, V. Infantino, et al. Volatile organic compounds as biomarkers of gastrointestinal diseases and nutritional status. J Anal Methods Chem, 2019 (2019), Article 7247802.

11. L. Brusselmans, L. Arnouts, C. Millevert, J. Vandersnickt, J.P. van Meerbeeck, K Lamote. Breath analysis as a diagnostic and screening tool for malignant pleural mesothelioma: a systematic review. Transl Lung Cancer Res, 7 (5) (2018), pp. 520-536.

12. A. Baranska, Z. Mujagic, A. Smolinska, et al. Volatile organic compounds in breath as markers for irritable bowel syndrome: a metabolomic approach. Aliment Pharmacol Ther, 44 (1) (2016), pp. 45-56.

13. A. Rezaie, M. Buresi, A. Lembo, et al. Hydrogen and methane-based breath testing in gastrointestinal disorders: the north american consensus. Am J Gastroenterol, 112 (5) (2017), pp. 775-784.

14. I. Siddiqui, S. Ahmed, S Abid. Update on diagnostic value of breath test in gastrointestinal and liver diseases. World J Gastrointest Pathophysiol, 7 (3) (2016), pp. 256-265.

15. M.J. Downes, M.L. Brennan, H.C. Williams, R.S Dean. Development of a critical appraisal tool to assess the quality of cross-sectional studies (AXIS). BMJ Open, 6 (12) (2016), Article e011458.

16. M.S. Allen, E.E. Walter, C Swann. Sedentary behaviour and risk of anxiety: a systematic review and meta-analysis. J Affect Disord, 242 (2019), pp. 5-13.

17. M. Rossi, R. Aggio, H.M. Staudacher, et al. Volatile organic compounds in feces associate with response to dietary intervention in patients with irritable bowel syndrome. Clin Gastroenterol Hepatol, 16 (3) (2018). 385-91 e1.

18. R.B. Aggio, P. White, H. Jayasena, B. de Lacy Costello, N.M. Ratcliffe, C.S Probert. Irritable bowel syndrome and active inflammatory bowel disease diagnosed by faecal gas analysis. Aliment Pharmacol Ther, 45 (1) (2017), pp. 82-90.

19. F. Rieder, S. Kurada, D. Grove, et al. A distinct colon-derived breath metabolome is associated with inflammatory bowel disease, but not its complications. Clin Transl Gastroenterol, 7 (11) (2016), p. e201.

20. R.P. Arasaradnam, M. McFarlane, E. Daulton, et al. Non-invasive exhaled volatile organic biomarker analysis to detect inflammatory bowel disease (IBD). Dig Liver Dis, 48 (2) (2016), pp. 148-153.

21. I. Ahmed, R. Greenwood, B. Costello, N. Ratcliffe, C.S Probert. Investigation of faecal volatile organic metabolites as novel diagnostic biomarkers in inflammatory bowel disease. Aliment Pharmacol Ther, 43 (5) (2016), pp. 596-611.

22. C. Walton, M.P. Montoya, D.P. Fowler, et al. Enteral feeding reduces metabolic activity of the intestinal microbiome in Crohn’s disease: an observational study. Eur J Clin Nutr, 70 (9) (2016), pp. 1052-1056.

23. K. Dryahina, D. Smith, M. Bortlik, N. Machkova, M. Lukas, P Spanel. Pentane and other volatile organic compounds, including carboxylic acids, in the exhaled breath of patients with Crohn’s disease and ulcerative colitis. J Breath Res, 12 (1) (2017), Article 016002.

24. A. Smolinska, D.I. Tedjo, L. Blanchet, et al. Volatile metabolites in breath strongly correlate with gut microbiome in CD patients. Anal Chim Acta, 1025 (2018), pp. 1-11.

25. C.M. Whitfield-Cargile, N.D. Cohen, R.S. Chapkin, et al. The microbiota-derived metabolite indole decreases mucosal inflammation and injury in a murine model of NSAID enteropathy. Gut Microbes, 7 (3) (2016), pp. 246-261.

26. I. Horvath, P.J. Barnes, S. Loukides, et al. A European Respiratory Society technical standard: exhaled biomarkers in lung disease. Eur Respir J, 49 (4) (2017).

27. S. Bosch, S. El Manouni El Hassani, J.A. Covington, et al. Optimized sampling conditions for fecal volatile organic compound analysis by means of field asymmetric ion mobility spectrometry. Anal Chem, 90 (13) (2018), pp. 7972-7981.

28. C.A. Gaulke, T.J. Sharpton. The influence of ethnicity and geography on human gut microbiome composition. Nat Med, 24 (10) (2018), pp. 1495-1496.

29. A. Smolinska, A.G. Bodelier, J.W. Dallinga, et al. The potential of volatile organic compounds for the detection of active disease in patients with ulcerative colitis. Aliment Pharmacol Ther, 45 (9) (2017), pp. 1244-1254.

30. L.A. Harris, N. Baffy. Modulation of the gut microbiota: a focus on treatments for irritable bowel syndrome. Postgrad Med, 129 (8) (2017), pp. 872-888.

Похожие статьи

shares