Lanalisi dell'esalato è un metodo che permette di ottenere informazioni relative allo stato di salute di una persona. L'aria espirata viene prodotta naturalmente dal corpo umano attraverso l'atto del respiro e per questo motivo può essere raccolta in modo completamente non invasivo e in maniera illimitata. Attraverso l'analisi dei composti organici volatili (VOCs) presenti nell'esalato è possibile identificare dei biomarcatori specifici per alcune patologie (tumore del polmone, asma, broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) e altre).
A partire dalle concentrazioni dei VOCs nell'esalato si può inoltre risalire alle loro concentrazioni nel sangue attraverso dei modelli matematici, come ad esempio quello descritto da Fahri. Esistono numerose tecniche che possono essere utilizzate sia per la raccolta dei campioni di respiro che per la loro successiva analisi. Nonostante la ricerca sull'analisi dell'esalato sia iniziata molti anni fa, ad oggi non esiste ancora alcuna applicazione clinica per la diagnosi di malattie.
Storia
Fin dai tempi del filosofo greco Ippocrate, l'analisi dell'aria espirata veniva effettuata per diagnosticare eventuali malattie. Ad esempio, si riteneva che se l'aria espirata presentasse un odore fruttato e dolce, simile a quello dell'acetone, la persona fosse affetta da diabete. Allo stesso modo, un odore simile a quello del pesce poteva invece significare la presenza di un'insufficienza epatica, mentre l'odore tipico dell'urina indicava l'insorgenza di un'insufficienza renale.
Solamente con gli studi di Lavoisier è stato poi possibile iniziare a studiare in maniera scientifica il contenuto chimico dell'esalato, superando così la semplice azione dell'odorare. Analisi più sistematiche e approfondite sono state condotte a partire dalla seconda metà del XIX secolo. Nel 1971 Linus Pauling iniziò ad analizzare campioni di respiro con l'obiettivo di identificare VOCs presenti nell'aria espirata. I primi risultati ottenuti da Pauling permisero di identificare più di 250 distinti VOCs. A seguire, Phillips ne identificò più di 3000.
Negli anni recenti, sempre più studiosi si sono concentrati sullo studio dell'aria espirata con l'obiettivo di identificare dei biomarcatori che permettano di diagnosticare malattie, anche in stadi precoci. Tra le diverse malattie che sono state prese in considerazione vi sono il tumore del polmone, la BPCO, l'asma, il tumore della testa e del collo. Al giorno d'oggi vi sono diversi dispositivi commerciali che permettono di analizzare i campioni di respiro, ma non vi è ancora un'applicazione clinica dell'analisi dell'esalato per la diagnosi di malattie. Questo è dovuto principalmente ad una mancanza di una standardizzazione nei test clinici effettuati finora, sia per quanto riguarda la modalità di raccolta dei campioni di respiro sia per la loro analisi.
Composti organici volatili I composti organici volatili presenti nell'aria esalata possono essere di tipo endogeno o esogeno. I composti esogeni sono introdotti nel corpo umano dall'ambiente attraverso l'inspirazione o la pelle umana. I composti endogeni, invece, sono composti che vengono prodotti dai processi metabolici del corpo umano oppure dall'insorgenza di patologie. I composti endogeni presenti nel respiro possono essere suddivisi in diverse classi: idrocarburi saturi (eptano, pentano, aldeidi), idrocarburi insaturi (isoprene), composti contenenti ossigeno (acetone), composti contenenti zolfo (dimetilsolfato), composti contenenti azoto (ammoniaca, dimetilammina). Questi composti vengono poi liberati nel flusso sanguigno e, in seguito, eliminati dal corpo attraverso l'aria espirata, l'urina o la pelle.
Alcuni di questi VOCs potrebbero rappresentare dei biomarcatori per alcune malattie. Ad esempio, la presenza di eptano e pentano nell'aria espirata è correlata ad attività perossidasica e stress ossidativo, mentre un alto livello di concentrazione di acetone può invece essere individuato in soggetti affetti da diabete mellito. Negli ultimi decenni la ricerca si è concentrata sull'analisi del respiro di persone affette da tumori, con l'obiettivo di identificare nell'esalato dei biomarcatori che permettano di effettuare una diagnosi precoce del tumore. Questa assunzione è giustificata dal fatto che una delle caratteristiche dei tumori è la forte alterazione dei processi metabolici, che porta ad una produzione di VOCs differente da quella che avviene in una condizione sana.
Relazione tra concentrazioni dei composti nell'esalato e nel sangue È possibile legare la concentrazione di un composto nell'esalato alla sua concentrazione nel sangue. Il modello più semplice che lega queste due concentrazioni è stato sviluppato da Farhi, ed è descritto dalla seguente equazione:
dove rappresenta la concentrazione alveolare del composto che si assume equivalente a quella misurata nell'aria esalata. La concentrazione dipende dalla concentrazione dello stesso composto nel sangue venoso , dal coefficiente di ripartizione sangue:aria, specifico per la sostanza considerata (), e dal rapporto ventilazione/perfusione .
La relazione tra concentrazione dei composti nell'esalato e nel sangue viene sfruttata negli etilometri, cioè da quei dispositivi che misurano la concentrazione di alcool nel sangue. In uno studio presente nella letteratura scientifica è stato dimostrato come questo modello semplificato non sia in grado di misurare correttamente le concentrazioni di isoprene e acetone nel sangue a partire da quelle rilevate nell'esalato. Per questo motivo, è necessario sviluppare modelli più complessi che spieghino la relazione tra le due concentrazioni.
Tecniche per la raccolta del respiro Per poter effettuare un'analisi chimica dell'aria espirata, come prima cosa è necessario raccoglierne un campione. Vi sono due fattori principali da tenere in considerazione: la porzione di aria da raccogliere e la conservazione del campione di respiro nel periodo temporale tra la fase di raccolta e quella di analisi.
Porzioni di respiro
L'analisi dell'aria espirata può essere effettuata su diverse porzioni di respiro. Le porzioni che possono essere raccolte sono tre: la porzione di respiro mixed-expiratory (letteralmente misto espiratorio), la porzione di respiro late-expiratory (letteralmente tardo espiratorio), e la porzione di respiro end-tidal (fine espirazione). La porzione di respiro mixed-expiratory contiene al suo interno anche aria proveniente dallo spazio morto anatomico, cioè da quella porzione delle vie aeree che non contribuisce allo scambio gassoso a livello degli alveoli, mentre nelle porzioni di late-expiratory e end-tidal si cerca di ridurre il contributo dello spazio morto anatomico nel campione di respiro raccolto.
La porzione di respiro mixed-expiratory rappresenta però quella che può essere raccolta più facilmente: non richiede infatti una raccolta selettiva, dal momento che viene immagazzinata tutta l'aria espirata dal soggetto. Allo stesso tempo, a causa della presenza di contaminazioni provenienti dall'ambiente, dal naso e dalla bocca, essa potrebbe non rappresentare un campione di respiro di alta qualità e ricco di VOCs significativi. Per questo motivo, esiste il rischio concreto di identificare un VOC esogeno come biomarcatore di una certa patologia. La raccolta della porzione di respiro late-expiratory consiste nello scartare la porzione di aria espirata nei primi secondi di manovra espiratoria e nel raccogliere la porzione di aria rimanente. Questo consente di ottenere un campione di aria più ricco di VOCs endogeni rispetto a quello mixed-expiratory, minimizzando il contenuto di composti esogeni.
La porzione di respiro end-tidal rappresenta quella più ricca in assoluto di VOCs endogeni, dal momento che viene mantenuta solamente l'aria espirata durante la terza fase dell'espirazione. Uno dei metodi che si può utilizzare per identificare le diverse fasi dell'espirazione così da raccogliere solamente la porzione di respiro desiderata è basato sull'analisi della concentrazione di anidride carbonica (CO_2) espirata.. Si possono identificare tre diverse fasi nella concentrazione di CO_2 durante il processo espiratorio: nella prima fase (fase I) la concentrazione è bassa, successivamente presenta un incremento (fase di transizione, fase II), per poi raggiungere un plateau che identifica l'inizio della fase end-tidal (fase III). Il monitoraggio della concentrazione di CO_2 può essere effettuato tramite un capnometro.
Conservazione dei campioni di respiro I campioni di respiro possono essere raccolti e temporaneamente immagazzinati con diverse modalità. Esempi di tecniche utilizzate nella letteratura scientifica sono:
sacche in Tedlar: il Tedlar è un film di polivinilfluoruro realizzato dall'azienda DuPont. Questo materiale viene utilizzato per la realizzazione di sacche con una valvola di sicurezza che permette di evitare la fuoriuscita di aria. Le valvole possono essere realizzate sia in acciaio inossidabile che in polipropilene. Le sacche possono avere dimensioni differenti, da un minimo di 500 mL fino a 100 L, e rappresentano il metodo più utilizzato per la conservazione dei campioni di respiro. I problemi principali legati all'utilizzo di queste sacche per l'immagazzinamento dei campioni di respiro sono legati alla fuoriuscita di vapori per diffusione attraverso le pareti della sacca, alla possibilità di raccogliere volume proveniente solamente da una singola espirazione, e alle emissioni di VOCs dalla sacca stessa, che possono contaminare il campione di respiro. tubi adsorbenti: essi rappresentano uno dei metodi più utilizzati per la raccolta di gas e vapori nell'aria. Questi tubi tipicamente hanno pareti di vetro e contengono al proprio interno diversi tipi di sostanze adsorbenti (carbone attivo, gel di silice, o polimeri organici porosi) che possono essere scelte per intrappolare solamente determinati composti. Uno dei vantaggi dei tubi adsorbenti è quello di intrappolare ed immagazzinare solamente i composti di interesse. Inoltre, la composizione chimica del campione raccolto non viene contaminata e attraverso un facile desorbimento dei composti è possibile effettuare la loro analisi.
Esistono inoltre dei prodotti commerciali realizzati esclusivamente per la raccolta di VOCs nel respiro:
Bio-VOC Breath Sampler: il Bio-VOC Breath Sampler è un dispositivo per la raccolta di VOCs commercializzato dall'azienda Markes International. Presenta tre diversi componenti al suo interno: un'imboccatura usa e getta, un tubo adsorbente per la raccolta del respiro che consente di immagazzinare fino a 100mL di aria, e un pistone. Con il Bio-VOC Breath Sampler è possibile raccogliere la porzione di respiro identificata come late-expiratory, ma non è possibile effettuare espirazioni multiple. È stato utilizzato in diversi studi per la raccolta dei VOCs nel respiro. Reciva Breath Sampler: il Reciva Breath Sampler è un dispositivo commercializzato dall'azienda inglese Owlstone Medical. Questo strumento permette di conservare i VOCs presenti nell'esalato in trappole assorbenti, che garantiscono una migliore conservazione del campione di respiro e una minima contaminazione da parte del dispositivo. Questo dispositivo è dotato anche di un sensore di anidride carbonica per il monitoraggio delle fasi espiratorie, e permette di raccogliere i VOCs eseguendo più manovre espiratorie, aumentando quindi la loro concentrazione all'interno dei tubi adsorbenti. È attualmente utilizzato nel più grande trial clinico sulla diagnosi del tumore al polmone.