Frühdiagnose akuter systemischer Infektionen und Prädiktion der bronchopulmonalen Dysplasie bei Frühgeborenen mittels einer elektronischen Nase (Cyranose)
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Philipps-Universität Marburg
Abstract
Jedes Jahr kommen in Deutschland rund 60.000 Kinder als Frühgeborene zur Welt, 1,3 % von ihnen gelten mit einem Geburtsgewicht von < 1500 g als sehr kleine Frühgeborene (IQTIG, 2021). Zu den häufigsten Gründen für Mortalität in diesem Patientenkollektiv gehören akute systemische Infektionen sowie chronische Atemwegserkrankungen wie die bronchopulmonale Dysplasie (BPD), welche europaweit mit einer Inzidenz von 10-25 % aller sehr kleinen Frühgeborenen auftritt (Gortner et al., 2011). Diese beruht auf einer durch die Frühgeburt bedingten gestörten Lungenentwicklung in Kombination mit prä- und postnatal einwirkenden Noxen, welche eine Entzündungreaktion hervorrufen. Besonders aufgrund der großen Vulnerabilität von Frühgeborenen ist die möglichst frühe Diagnose einer akuten systemischen Infektion sowie Prädiktion der BPD für den klinischen Verlauf der Erkrankungen und die Prognose des Frühgeborenen entscheidend. Die Etablierung einer geeigneten Methode zur gezielten Frühdiagnose und Prädiktion von Erkrankungen bei Frühgeborenen stellt die medizinische Forschung vor eine große Herausforderung. Durch Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die elektronische Nase (Cyranose), ein elektronisches Äquivalent zum biologischen Geruchssinn, möglicherweise als neues und nicht-invasives Diagnostiktool in der Neonatologie einsetzbar ist. Diese ist in der Lage, volatile organische Substanzen (volatile organic compounds, VOCs) über einer Probe zu detektieren und zu einem „Smellprint“, einer Art Fingerabdruck der jeweiligen Probe, zusammenzufassen. Diese Smellprints können daraufhin statistisch miteinander verglichen werden. Das übergeordnete Ziel dieser Studie war es, zu untersuchen, ob mittels Cyranose zwischen Proben von Frühgeborenen mit und ohne sich entwickelnder BPD und Frühgeborenen mit und ohne akuter systemischer Infektion differenziert werden kann. Da besonders nicht-invasiv gewonnene Proben für die potenzielle klinische Nutzung interessant sind, wurden Urin-, Stuhl-, Speichel- und Trachealaspiratproben untersucht. Zu diesem Zweck wurden 21 Frühgeborene des Universitätsklinikums Marburg über einen Zeitraum von sechs Wochen postnatal oder bis zum Zeitpunkt ihrer Entlassung aus der stationären Behandlung beobachtet. Wenn möglich, wurden wöchentlich Urin, Stuhl und Speichel sowie im Rahmen der Erstintubation, kurz vor der Extubation oder bei klinischer Indikation zum Absaugen Trachealaspirat gewonnen. Diese Proben wurden daraufhin mittels Cyranose untersucht und durch eine lineare Diskriminanzanalyse statistisch miteinander verglichen. Hierbei konnte anhand von Trachealaspirat-, Urin- und Stuhlproben zwischen Smellprints von Kindern mit und ohne einer akuten systemischen Infektion sowie mit und ohne sich entwickelnder BPD differenziert werden. Die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführte Pilotstudie konnte die Machbarkeit bestätigen und wichtige Ergebnisse liefern, welche nun mittels größerer Studien überprüft werden müssen. Zusammenfassend ermutigen die in dieser Arbeit gefundenen Hinweise zu weiterer Forschung, um das Potenzial der Cyranose zur Frühdiagnose akuter systemischer Infektionen und Prädiktion der BPD bei Frühgeborenen anhand von Urin-, Stuhl- und Trachealaspiratproben weiter zu untersuchen.
Every year approximately 60,000 children are born prematurely in Germany, 1.3 % of whom are considered very small preterm infants with a birth weight of < 1500 g (IQTIG, 2021). The most common causes of mortality in this patient population include acute systemic infections as well as chronic respiratory diseases such as bronchopulmonary dysplasia (BPD), which has an incidence of 10-25 % of all very small preterm infants across Europe (Gortner et al., 2011). This is due to a disturbed lung development caused by the premature birth in combination with pre- and postnatally acting noxae, which cause an inflammatory reaction. Especially due to the high vulnerability of preterm infants, the earliest possible diagnosis of acute systemic infection as well as prediction of BPD is crucial for the clinical course of the diseases and the prognosis of the preterm infant. The establishment of a suitable method for targeted early diagnosis and prediction of diseases in preterm infants is a major challenge for medical research. Preliminary studies have shown that the electronic nose (cyranose), an electronic equivalent to the biological sense of smell, may be applicable as a new and non-invasive diagnostic tool in neonatology. The cyranose is able to detect volatile organic compounds (VOCs) over a sample and aggregating them into a "smellprint", a kind of fingerprint of the sample. These smellprints can then be statistically compared with each other. The overall aim of this study was to investigate whether the cyranose can be used to differentiate between samples from preterm infants with and without developing BPD and preterm infants with and without acute systemic infection. Because noninvasively obtained samples are of particular interest for potential clinical use, urine, stool, saliva, and tracheal aspirate samples were examined. For this purpose, 21 premature infants of the University Hospital Marburg were observed over a period of six weeks postnatally or until the time of their discharge from inpatient treatment. When possible, urine, stool, and saliva were obtained weekly, as well as tracheal aspirate during initial intubation, shortly before extubation, or when clinically indicated for aspiration. These samples were then analyzed by the cyranose and statistically compared by linear discriminant analysis. Here, tracheal aspirate, urine, and stool samples could be used to differentiate between smellprints from children with and without an acute systemic infection and with and without developing BPD. The pilot study conducted as part of this dissertation was able to confirm the feasibility and provide important results, which now need to be verified by means of larger studies. In summary, the evidence found in this work encourages further research to investigate the potential of the cyranose to detect acute systemic infections and predict BPD in preterm infants using urine, stool, and tracheal aspirate samples.
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