Vroegdiagnostiek en monitoring van luchtweginfecties met Aspergillus Fumigatus en Pseudomonas Aerugi

  • Naam promovendus: Dr P.J.F.M. Merkus
  • Instituut Universiteit: Universitair Medisch Centrum Nijmegen St. Radboud

Het doel van dit onderzoek is om een niet-invasieve, betrouwbare en snelle methode te ontwikkelen om luchtweginfecties met PA en AF vroegtijdig vast te stellen in patiënten met CF. Dit kan door het analyseren van de vluchtige stoffen (Volatile Organic Compounds, VOCs) die geproduceerd worden door PA en AF, en aanwezig zijn in de uitademingslucht van patiënten met deze luchtinfecties.

Cystic fibrosis (CF) is de meest voorkomende erfelijke aandoening met een verminderde levensverwachting. De belangrijkste doodsoorzaak is de progressieve longschade door luchtweginfecties. De behandeling is gericht op vroege diagnostiek en vroege en agressieve behandeling van de luchtweginfecties.
Twee soorten luchtweginfecties veroorzaken extra gezondheidsproblemen:(1) luchtweginfecties veroorzaakt door Pseudomonas Aeruginosa (PA) leiden tot longschade, versnelde achteruitgang van de longfunctie en vervroegd overlijden;(2) infecties met Aspergillus fumigatus (AF) veroorzaken chronische luchtwegontstekingen, ernstige allergiëen met longschade en slechte prognose, en een groot risico op complicaties bij de CF patiënt na longtransplantatie. Ook bij patiënten met een verminderde afweer, door behandeling bij oncologische aandoeningen of na orgaantransplantatie, leiden deze infecties tot een grote ziektelast en overlijden. Vroege herkenning en behandeling van deze infecties leidt tot de beste prognose en levensverwachting.
Daarom wordt aanbevolen om frequent te screenen op deze infecties, maar aantonen van die infecties is niet altijd mogelijk met een sputumkweek vanwege de leeftijd of de conditie van de patiënt. Materiaal voor een kweek is ook te verkrijgen via een bronchoscopie, maar dat is ongeschikt voor routinematig onderzoek. Er is behoefte aan een snelle, patiënt-vriendelijke, betrouwbare en gevoelige methode om in een heel vroeg stadium deze infecties te kunnen detecteren.

Het doel van dit onderzoek is om een niet-invasieve, betrouwbare en snelle methode te ontwikkelen om luchtweginfecties met PA en AF vroegtijdig vast te stellen in patiënten met CF. Dit kan door het analyseren van de vluchtige stoffen (Volatile Organic Compounds, VOCs) die geproduceerd worden door PA en AF, en aanwezig zijn in de uitademingslucht van patiënten met deze luchtinfecties.
De laatste decennia zijn veelbelovende technieken ontwikkeld op basis van laser technologie en proton transfer reaction massa spectrometrie (PTR-MS) waarmee VOCs in gasvorm gedetecteerd kunnen worden. Het is nu mogelijk om ‘in real time’ luchtmonsters te analyseren op de kleinste moleculen in zeer lage concentraties (Parts per trillion). Deze hebben hun toepassing en nut al bewezen in de voedselindustrie en agrarische sector, en kunnen ook ingezet worden in de geneeskunde.
De Trace Gas Research Groep, faculteit Molecular and Laser Fysica van de Radboud Universiteit (www.ru.nl/tracegasfacility), is in het bezit van deze technieken en een van de weinige Europese instituten op het gebied van trace gas detectie.
Het Project omvat 2 gedeelten: (1) In vitro wordt de productie en reproduceerbaarheid van VOCs gemeten in zuivere kweken van PA en AF. Ook wordt de productie van VOCs van de groeimedia, van het collectiesysteem van uitademingslucht en van kamerlucht onderzocht (achtergrondsignaal). Het specifieke VOCs profiel van PA en AF wordt moleculair geidentificeerd met Gaschromatografie/Massaspectrometrie. Vervolgens wordt dit gevalideerd op vers sputum en bronchoalveolaire lavagevloeistof van CF patiënten met en zonder deze infecties. Hierbij is het focus zoveel mogelijk gericht op de kandidaat makers voor PA en AF; (2) In vivo wordt een methode ontwikkeld om bij CF patiënten op een gestandaardiseerde manier uitademingslucht op te vangen, waarmee gescreend kan worden op aan- of afwezigheid van VOCs, specifiek voor de infecties met PA en AF, in CF patiënten met en zonder deze infecties.

Abstract

Cystic fibrosis (CF) is the most prevalent genetic fatal disease. The most important cause for mortality is the progressive damage to lungs and airways due to respiratory infections. Two types of airways infections are responsible for specific and severe health problems: 1) The respiratory bacterial infections with Pseudomonas Aeruginosa (PA) are associated with structural lung damage, increased loss of lung function and adverse outcome; (2) The fungal respiratory infections with Aspergillus fumigatus are associated with longlasting airway inflammation, severe allergic reactions leading to severe lung damage, and constitute a significant health risk factor for CF patients who undergo lung transplantantation. Also in patients immune-compromised due to oncological disease or following organ transplantation, these infections are associated with significant morbidity and mortality.
Early recognition and treatment of these infections are crucial for optimal prognosis. Therefore, it has been recommended to screen patients frequently for these infections, but obtaining reliable material for cultures is not always feasible due to the age or the condition of the patiënt. Cultures may also be obtained through bronchoscopy, but that procedure is not suitable for routine screening or monitoring. Therefore, there is a need for a quick, patiënt friendly, reliable, specific and sensitive method to detect infections with PA and AF in an early stage.

The aim of this study is to develop a noninvasive, valid and fast technique to detect respiratory infections with PA and AF in an early stage in patients with CF. This can be achieved through analyses of volatile organic compounds (VOCs) that are produced by PA and AF, and that are present in the exhaled breath of infected patients. Data on the production of VOCs by AF and PA have been published and thus, detection is feasible by recognition of these VOCs in air.
Recently, promising new techniques have been developed such as based on laser technology and proton transfer reaction mass spectrometry (PTR-MS) that can detect VOCs in air. It is now possible to analyse gas samples in real time and detect minute quantities (parts per trillion) of low molecular weight molecules. The Trace Gas Research Group of the Department of Molecular and Laser of Radboud University (www.ru.nl/tracegasfacility) is one of the few European Research laboratories specialized in this field. Laser spectroscopy and PTR-MS have been successfully employed in detecting trace gases in the food industry for quality control.
This project involves 2 phases: (1) The production of VOCs and measurement reproducibility will be assessed in vitro from pure cultures of PA en AF, and from background production of media, sample collection systems, and room air. From these analyses, the specific VOCs profiles of PA and AF will be established. Further molecular identification of these markers will be assessed with Gas Chromatography and Mass Spectrometry. Next, fresh sputum and bronchoalveolar lavage fluid of CF patients with and without these infections will be studied similarly for validation purposes. The focus of interest will be mostly on the candidate markers for PA and AF infections; (2) For in vivo studies a standardized method will be developed to obtain VOCs in exhaled breath of patients with CF. This will be used to study the validity and sensitivity of the technique to identify VOCs in CF patients with and without these infections

Links naar publicatie: www.ru.nl/tracegasfacility

  • Bedrag:
    249.000,00
  • Looptijd:
    5 jaar, en 1 dag
  • Soort subsidie:
    Research Project
  • Andere aanvragers/partners:
    prof Dr R.A. Wevers
    Dr F.J.M. Harren
  • Projectnummer:
    3.3.11.002