Prof. Dr Joeri Vercammen | Foto: FOODNote
Massaspectrometrische screening van biomarkers in adem, zoals vluchtige organische componenten, blijkt een snelle en verrassend accurate analysetechniek. Toepassingen: diagnostiek van longzieken, kanker en mogelijk Covid-19. De massaspectrometrische analyse is patiëntvriendelijk, direct in de kliniek toepasbaar, en de uitslag is na een paar minuten bekend. En een voorscheiding is niet nodig.
De full scan screening van adem met een vorm van massaspectrometrie, Selected Ion Flow Tube massaspectrometrie(SIFT-MS), biedt een kansrijk alternatief voor analyse van vluchtige componenten in adem met geavanceerdere opstellingen. SIFT-MS is eenvoudig inzetbaar en scoort analytisch op punten beter dan de gouden standaard: thermische desorptie met tweedimensionale gaschromatografie en hoge resolutie massaspectrometrie.
SIFT-MS verbluffend eenvoudig
Werken met een dergelijke GCxGC opstelling vergt veel ervaring en ook de data-interpretatie is uitdagend. Daarmee vergeleken is SIFT-MS verbluffend eenvoudig toe te passen. Zelfs in de kliniek. Het bewijs: de eerste pilot met een SIFT-MS voor directe ademanalyse van patiënten met longziekten loopt nu in een academisch ziekenhuis en lijkt zijn belofte waar te maken.
Directe bemonstering van vluchtige componenten, zoals geurstoffen, met SIFT-MS, in het demolaboratorium van Interscience in Louvain La-Neuve. Net zo eenvoudig kunnen VOC's uit ademhalingsmonsters in enkele minuten geanalyseerd worden uit monsterzakken en via een algoritme herleid naar longziektes | foto:FOODNote
Astma, COPD en andere longziektes
De potentie van SIFT-MS voor diagnose van longziektes als astma en COPD, kanker en mogelijk ook Covid-19, is al gebleken uit een vergelijkende studie aan de Universiteiten van Luik en Gent. Prof. Dr Joeri Vercammen van de Faculteit en adviseur bij het Interscience Expert Center, noemt de resultaten spectaculair.
“Deze techniek presteert beter dan de gouden standaard én is geschikt voor de kliniek. Ook is het een alternatief voor generieke sensoren. Die zijn al 20 jaar beloftevol, maar komen moeilijk van de grond. Ja, een sensor is snel en specifiek, maar je kunt er maar één ziektebeeld mee herkennen, waar SIFT-MS afwijkingen kan screenen.”
Alternatief voor laboratoriumdiagnostiek van sputum
Een klassieke sputumdiagnostiek, waarbij slijm en speeksel uit de luchtwegen wordt afgenomen, geeft meer duidelijkheid over de infectiebronnen. Helaas is dit belastende en dure diagnostiek die niet overal beschikbaar is.
Hier ziet Vercammen een rol weggelegd voor SIFT-MS. Vercammen doelt op patiënten met een chronische longziekte: die zouden baat kunnen hebben bij een betere diagnosestelling. Nu krijgt naar schatting 20 tot 30 procent van de patiënten de verkeerde medicatie.
“Deze techniek presteert beter dan de gouden standaard én is geschikt voor de kliniek”
Prof. Dr Joeri Vercammen van de Faculteit en adviseur bij het Interscience Expert Center
Probleem is dat de ontstekingsmechanismen bij astma- en COPD-patiënten van persoon tot persoon verschillen en symptomen niet eenduidig zijn. De non-invasieve meting met massaspectrometrie van adem lijkt een krachtig diagnosemiddel, is patiëntvriendelijk en kan in de kliniek worden toegepast.
De uitslag is snel. SIFT-MS is hier na jarenlang onderzoek en testen helemaal klaar voor, verzekert Vercammen. “We kunnen een toepassing van SIFT-MS rechtstreeks vergelijken met de gouden standaard.”
Hij vervolgt: “Het grote verschil is dat je de gouden standaard opstelling niet zomaar in een ziekenhuis kunt installeren of er op grote schaal ademanalyses mee kunt uitvoeren. Dit is complexe apparatuur en moeilijk te onderhouden in een kwaliteitssysteem. Het vergt expertise van de gebruiker, met een laboratoriumopleiding die kan garanderen dat er steeds kwaliteitsanalyses plaatsvinden.”
Opstelling van een Selected Ion Flow Tube massaspectrometrie (SIFT-MS)-opstelling van Syft Technologies in het Expertisecentre van Interscience in Breda | foto:FOODNote
Biomarkers direct meten met massaspectrometrie
Waarom ingewikkeld doen, als SIFT-MS de benodigde selectiviteit aan boord heeft om al deze biomarkers direct te meten, stelt Vercammen. “Sterker nog, ik durf na jarenlang onderzoek te stellen dat SIFT-MS analytisch superieur is. Je zou een patiënt rechtstreeks kunnen laten uitademen in het toestel en direct vast kunnen stellen welke moleculen aanwezig zijn en welke patiënten positief of negatief testen. We zijn dit traject acht jaar geleden gestart en hebben contacten gelegd in de klinische wereld om onderzoeksprojecten op te starten met SIFT-MS.”
SIFT-MD in full scan mode
Daar ging wel het nodige aan vooraf. “We begonnen from scratch, je kent immers de biomarkers niet. Wil je de SIFT-MS kunnen gebruiken, zul je toch eerst moeten weten welke je wilt gaan meten. Pas dan kun je een methode op het toestel gaan ontwikkelen.”
Dat zou echt monnikenwerk worden. Vercammen draaide de aanvliegroute om en koos voor een onorthodoxe benadering. “Ik heb besloten het toestel op een totaal andere manier in zetten. In plaats van te kijken naar één of een paar biomarkers, zeg, waterstofcyanide of aceton, zijn we hem gaan gebruiken in full scan mode. Dan meet je alles wat er aan vluchtige componenten in de adem zit.”
Statistische exercitie op big data
Met massaspectrometrie creëerde Vercammen een nieuw probleem: de big data. SIFT-MS spuwt razendsnel enorme hoeveelheden data uit, maar vertelt niet om welke verbindingen het gaat.
De techniek werkt met drie reactie ionen: H3O+, NO+ en O2+, die de uitgeademde moleculen ioniseren. Per meting levert dat drie verschillende spectra op die samen een unieke combinatie vormen. Om te achterhalen welke componenten daarachter schuilgingen, en de code te kraken, zette Vercammen een referentietechniek in.
SIFT-MS werd daartoe parallel gedraaid aan thermische desorptie GCxGC -TOF/MS. De resultaten van de gouden standaard werden gematcht met die van SIFT-MS.
“Eerst hebben we van alle patiënten stalen afgenomen met een gaszak. Die hebben we rechtstreeks geanalyseerd in de SIFT-MS en na transfer naar een TD-buisje met TD-GCxGC-TOF/MS om de fingerprint met de hoogste resolutie te verkrijgen. Die contourplots van gescheiden componenten hebben we vergeleken met de drie spectra van de SIFT-MS. Na een statistische exercitie konden we daarna de SIFT-MS data interpreteren.”
SIFT-MS: sneller dan de gouden standaard
De SIFT-MS was nu klaar als diagnosemiddel. En hoe. “Op basis van algoritmes bleek het toestel in staat om binnen 2 minuten resultaten te kunnen presenteren, waar een meting met GCxGC-TOF/MS er 90 minuten over doet.”
De resultaten bleken zelfs beter dan de resultaten verkregen met de gouden standaard. “Dat is eigenlijk absurd.”, zegt Vercammen die destijds zijn ogen niet kon geloven, maar dit chemisch analytisch goed kan verklaren.
“Dat komt doordat we met SIFT-MS veel meer moleculen meten dan met zo’n complexe GC/MS opstelling. Je meet echt alles en niet alleen componenten die compatibel zijn met de gebruikte thermische desorptietechnieken. Denk ook aan wat er niet doorkomt in voorscheiding met GC, interacties in de apparatuur en keuzes die je maakt in je GC-MS-methode, meestal ingegeven door het gekozen TD.”
En alles wat niet compatibel is met je methode, bijvoorbeeld omdat het reageert met het materiaal dat je gebruikt, valt af. “Bij SIFT-MS worden ook polaire moleculen, reactieve en anorganische componenten meegenomen in dat spectrum. Die worden ‘mee-gefingerprint’, waar ze bij TD-GCxGC-TOF/MS niet eens de op kolom geraken. Dat alles maakt dat er met SIFT-MS meer stoffen uitkomen.”
Datacollector voor medisch onderzoek
Wat betekent dit nu voor het gebruik van SIFT-MS voor medisch onderzoek in de praktijk?
“Zoals ik dat zie, is dit toestel gewoon een datacollector, waaraan algoritmes worden opgehangen. Dat kan op drie manieren. De patiënt ademt uit direct in het toestel, je gebruikt een monsterzak of als intermediair gasbussen als je de kwaliteit langere tijd moet garanderen. SIFT-MS genereert drie full scan spectra en het algoritme doet vervolgens voorspellingen. Zeg, eentje voor astma, eentje voor longkanker en eentje voor darmkanker.”
“Eén toestel, één methode en één benadering om elk ziektebeeld correct te interpreteren”
Prof. Dr Joeri Vercammen van de Faculteit en adviseur bij het Interscience Expert Center
En COVID-19? “Tja, waarom niet. Zo kun je met één toestel in één keer aan al die ziektebeelden onderzoek doen. Vergelijk dat eens met een sensor. Die kost pakweg ‘slechts’ 20.000 euro, maar dan heb je maar één ziektebeeld. Dat is kostentechnisch niet haalbaar met tientallen ziektes.”
Vercammen ziet geen beperkingen aan het aantal met SIFT-MS te meten ziektebeelden. Dit aantal kan bovendien in de tijd uitgebreid worden door nieuwe algoritmes toe te voegen. “Dit biedt flexibiliteit.”
Automatische prescan
Een druk op de knop is de diagnose nog net niet. “Bij de scoringswaarde moet de arts assisteren in de diagnosestelling, eventueel in een multidisciplinair team.” De techniek zou wel als een automatische prescan kunnen dienen, denkt Vercammen. “Ik zie nog wel gebeuren dat deze toestellen gewoon in de apotheek staan. Dat je binnenkomt en de apotheker je even meeneemt naar de detector. Even uitademen en je hebt een indicatie.”
Uitslag binnen 5 minuten
Een uitslag binnen 5 minuten klinkt haast te mooi om waar te zijn. Toch lijkt Vercammen zeker van zijn zaak. “Om deze aanname aan te tonen zijn samenwerkingsverbanden opgezet, waarvan die met de Universiteiten uit Luik en Gent al tot de een wetenschappelijke publicatie heeft geleid. Er lopen ook projecten op andere universiteiten, en met een academisch ziekenhuis in Nederland.”
En de betrouwbaarheid? Die ligt afgaande op de onderzoeksresultaten op 75%. Dat is relatief hoog. “Die 75% is vergelijkbaar met de sputumanalyse. Dus je houdt ook vals-negatieven, maar dit is veel beter dan een empirische benadering op basis van symptomen, dus beter voor de bepaling van juiste medicatie. En prettig voor de patiënt.”
Hij besluit. “Hoe mooi is het als alles in één eenvoudig toestel zit. Eén toestel, één methode en één benadering om alle ziektebeeld correct te interpreten. Uitslagen binnen 5 minuten. Dat is uniek, geen enkele technologie die dit kan.”
