Resumen
Antecedentes
A nivel mundial, las enfermedades respiratorias crónicas se han convertido en la tercera causa principal de muerte, incluida la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y el asma, y han estado amenazando la vida humana durante mucho tiempo. Para aliviar la carga de la enfermedad, es crucial desarrollar métodos de detección rápidos y convenientes para la EPOC, la espirometría deteriorada por la relación preservada (prisma) y el asma. Los compuestos orgánicos volátiles (COV) en la respiración pueden reflejar los procesos fisiopatológicos de la enfermedad, teniendo así el potencial de servir como un enfoque prometedor para diagnosticar enfermedades respiratorias. ¿Podemos identificar marcadores de VOC en aliento con el potencial de servir como indicadores de clasificación y establecer aún más modelos de aprendizaje para la detección temprana de pacientes con EPOC, asma o prisma?
Métodos
Este es un estudio transversal en el que se recolectaron muestras de aliento exhaladas de 184 pacientes con EPOC, 66 pacientes con asma, 72 individuos de Prism y 45 individuos sanos. Desde agosto de 2023 hasta junio de 2024, las muestras de respiración se analizaron utilizando cromatografía de micro gas portátil (CXBA-Alpha, Chromx Health Co., Ltd.). Los posibles marcadores de VOC para la clasificación se identificaron mediante análisis univariados y multivariados. Posteriormente, los modelos de clasificación se establecieron mediante algoritmos de aprendizaje automático, basados en estos marcadores de VOC junto con las características de referencia. La sensibilidad, la especificidad y la precisión de estos modelos se calcularon para evaluar su rendimiento discriminatorio general.
Resultados
Un total de 367 pacientes se inscribieron en nuestro estudio. Identificamos nueve VOC que distinguen a los pacientes con EPOC de los controles sanos, nueve VOC que diferencian la población de prisma de los controles sanos, cinco VOC que separan a los pacientes con el asma de los controles sanos, cinco VOC que distinguen a los pacientes con EPOC de los pacientes con asma y siete VOC que diferencian la población de prisma de los pacientes con asma basados en la selección de características de respiración. Utilizamos cinco algoritmos para establecer modelos de diagnóstico y seleccionamos el óptimo entre ellos. El modelo de bosque aleatorio distinguió mejor la EPOC de los controles sanos con un área debajo de la curva característica operativa del receptor (AUC) de 0.92 ± 0.01. El modelo de clasificador de vectores de soporte (SVC) fue más efectivo para separar el prisma de los controles sanos, logrando un AUC de 0.78 ± 0.01. La regresión logística funcionó bien para discriminar el asma del prisma (AUC, 0.74 ± 0.02) y la EPOC (AUC, 0.92 ± 0.01), en contraste, el modelo de bosque aleatorio diferenció el asma de los controles sanos con un AUC de 0.81 ± 0.02.
Conclusión
Los modelos de clasificación basados en paneles de VOC tienen el potencial de ser una estrategia novedosa para la discriminación de enfermedades respiratorias crónicas. El uso de la cromatografía de micro gas portal permite la detección rápida de enfermedades respiratorias crónicas y, lo más importante, facilita la rápida identificación de los individuos de prisma dentro de la población.
Reflejos
1. Hemos identificado un grupo de compuestos orgánicos volátiles presentes en la respiración exhalada que puede usarse para distinguir entre pacientes con EPOC, asma, individuos de prisma e individuos de salud.
2. Este estudio es pionero en un método de identificación rápida basado en respiratorios para individuos de prisma, que ofrece una nueva estrategia para la detección temprana y el manejo de la enfermedad pulmonar obstructiva precónica.
Introducción
Como la tercera causa principal de muerte en el mundo, las enfermedades respiratorias crónicas han amenazado la vida humana durante mucho tiempo (1). La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y el asma son dos enfermedades respiratorias crónicas comunes. La EPOC plantea un importante desafío de salud global e impone una carga macroeconómica sustancial en todo el mundo. Según los datos proporcionados por la iniciativa global para la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (Oro) 2025, la prevalencia global de la EPOC es del 10,3% (Gold2025). Para 2050, el número de pacientes con EPOC alcanzará los 600 millones (2). El asma impacta hasta 262 millones de personas a nivel mundial (3). Además, el asma persiste como un destacado contribuyente a la carga económica global, que abarca los gastos directos e indirectos (3). Afectando principalmente los pulmones, tanto el asma como la EPOC tienen síntomas similares, que incluyen la sin aliento, la tos y la producción de esputo. Además, numerosos estudios han demostrado que tanto el asma como la EPOC son enfermedades multisistémicas. Para 2060, las enfermedades respiratorias crónicas y las condiciones relacionadas causarán más de 5.4 millones de muertes anuales (2). Debido a la naturaleza no específica de las manifestaciones clínicas de la enfermedad respiratoria crónica, muchos pacientes con EPOC y asma permanecen no diagnosticados, lo que lleva a una subestimación de la carga de salud global planteada por estas condiciones (4,5,6). Según Gold 2025 y la Iniciativa Global para el Asma (Gina) 2024, las pruebas de función pulmonar siguen siendo los principales criterios de diagnóstico para la EPOC y el asma. Sin embargo, este método de diagnóstico lleva mucho tiempo. Por lo general, cada paciente tarda aproximadamente 30 minutos en completar un conjunto completo de pruebas de función pulmonar. Además, los resultados de las pruebas de función pulmonar dependen en gran medida de la condición y el nivel de cooperación de los pacientes. Los pacientes con EPOC extremadamente severa a menudo no pueden completar la prueba de función pulmonar de acuerdo con la operación estándar debido a su condición crítica, lo que resulta en la generación de un informe de función pulmonar inexacta. Por lo tanto, desarrollar un método de diagnóstico rápido, preciso y conveniente es importante para aliviar la carga impuesta por la EPOC y el asma.
La relación preservada de la espirometría deteriorada (PRISM) denota anormalidades de la función pulmonar no obstructiva caracterizadas por un volumen espiratorio forzado normal en el primer segundo (FEV1)/ Capacidad vital forzada (FVC) pero un FEV1 reducido (reducido (7). El prisma puede considerarse como una etapa temprana de la EPOC. A nivel mundial, aproximadamente el 22.2% -35.8% de las personas con prisma eventualmente progresarán a la EPOC (8). Aunque la progresión del prisma es impredecible, una extensa investigación ha indicado que el prisma está significativamente relacionado con una mayor incidencia de complicaciones de la EPOC y la mortalidad por todas las causas (9,10,11). Por lo tanto, la detección temprana y el seguimiento a largo plazo de la población de prisma representan una estrategia efectiva para reducir la tasa de incidencia de la EPOC.
El análisis de aliento exhalado a través de compuestos orgánicos volátiles (VOC) es un método emergente no invasivo para el diagnóstico diferencial de enfermedades, particularmente enfermedades respiratorias (12,13,14). Los VOC se clasifican ampliamente en fuentes endógenas y exógenas. Los VOC exógenos se originan predominantemente a partir de moléculas introducidas a través de la cavidad oral y el tracto gastrointestinal, incluidos los alimentos y bebidas residuales, los componentes salivales y los metabolitos microbianos derivados de la microbiota oral o intestinal (15). Además, la exposición ocupacional también puede afectar los tipos de VOC exógenos detectados (16). Además, la exposición ocupacional representa un determinante crítico de los perfiles de VOC exógenos. Por ejemplo, el xileno, un contaminante ambiental bien documentado, se ha detectado en muestras de aliento exhaladas, con su concentración positivamente correlacionada con los historiales ocupacionales que implican pintura, impresión, refinación de petróleo, manejo de gasolina o procedimientos de laboratorio que requieren uso de solventes (17).
Los VOC endógenos en la respiración exhalada son generados por varios procesos metabólicos dentro del cuerpo humano y alcanzan los alvéolos a través del intercambio de gases de sangre (18). En consecuencia, las alteraciones en los VOC exhalados pueden reflejar diferentes afecciones fisiopatológicas de los pacientes (19). Actualmente, las técnicas comunes para detectar VOC exhalados incluyen espectrometría de masa de cromatografía de gases (GC-MS), espectrometría de masas de reacción de transferencia de protones (PTR-MS) y narices electrónicas (ENOSE) (20,21,22). Además, algunos métodos nuevos incluyen el condensado de aliento exhalado (EBC) ahora se usa para detectar H2O2 y otros parámetros de aliento exhalados para su uso como herramienta de diagnóstico (23). Investigaciones anteriores han indicado que los VOC exhalados tienen el potencial de servir como biomarcadores efectivos para diagnosticar varias enfermedades respiratorias, incluida la EPOC, el cáncer de pulmón, el asma y la Covid-19 (24). El VOC exhalado no solo puede facilitar el diagnóstico de diferentes enfermedades, sino que también refleja efectivamente la gravedad y los fenotipos (25). Sin embargo, existen estudios limitados sobre la diferenciación de varias enfermedades respiratorias crónicas, y los resultados a menudo son controvertidos. Además, hasta la fecha, no se ha realizado ninguna investigación sobre el reconocimiento del prisma.
Anteriormente hemos desarrollado un dispositivo portátil de cromatografía de micro gas (Micro GC) para diagnosticar y monitorear Covid-19, cáncer colorrectal, síndrome de dificultad respiratoria aguda (ARDS), etc., basado en el análisis de la respiración exhalada (26,27,28,29,30,31). Estos estudios sugieren que el análisis de la respiración tiene una promesa significativa como una herramienta de diagnóstico no invasiva, rápida y potencialmente precisa para diversas afecciones médicas. Sin embargo, se ha realizado investigaciones limitadas sobre la diferenciación entre pacientes con EPOC, asma, prisma y individuos sanos que usan VOC, y la viabilidad de distinguir entre estos grupos sigue siendo incierta.
Dado el creciente énfasis en mejorar la capacidad de detección de base para enfermedades respiratorias crónicas, las pruebas de detección rápida para distinguir a los pacientes con EPOC y asma, así como a individuos de prisma de individuos sanos, son de suma importancia. En este estudio, nuestro objetivo es utilizar una prueba de respiración no invasiva para identificar marcadores de VOC para la discriminación de la enfermedad respiratoria crónica y posteriormente desarrollar modelos que usen el aprendizaje automático para la detección temprana de pacientes con prisma, EPOC y asma (Figura S1).
Método
Participantes del estudio
Las personas diagnosticadas con EPOC, asma o prisma por parte de médicos respiratorios en el Hospital Ruijin fueron reclutados en la sala de prueba de la función respiratoria entre agosto de 2023 y junio de 2024 para investigar posibles diferencias entre …
(Tagstotranslate) Neumología/sistema respiratorio
