Flüchtige organische Substanzen als Biomarker bakterieller Infektionen im Tiermodell

Einleitung: Flüchtige organische Substanzen (volatile organic compounds, VOCs) biologischer Matrices werden intensiv als potentielle Biomarker von Erkrankung oder Entzündungsvorgängen diskutiert. Bevor dieser diagnostische Ansatz praxisrelevant etabliert werden kann, sind endogene und exogene Einflüsse auf die VOCs zu evaluieren. Dieses Projekt beschäftigt sich mit den physiologischen Schwankungen von VOCs und deren Interaktionen mit einem für die Infektion mit Mycobacterium avium ssp. paratuberculosis (MAP) typischen VOC-Profil.

Methoden: In einem standardisierten Tiermodell wurden von mit MAP infizierten Ziegen (n = 42) und gesunden Kontrolltieren (n = 15) über 12 Monate hinweg Alveolargasproben sowie Headspaces von Kotproben mittels GC-MS analysiert [1]. Die Präkonzentrierung der VOCs erfolgte durch 2 Systeme: (a) Needle-Trap-Microextraction (NTME) und (b) Solid-Phase-Microextraction (SPME). Physiologische Einflüsse auf das VOC-Profil wurden in zwei Ansätzen untersucht: (a) bezüglich der Umstellung des Verdauungssystems vom Milchlamm zum Wiederkäuer (n = 15) [2] und (b) bezüglich der morgendlichen Kraftfutteraufnahme (n = 9) [3].

Ergebnisse: Als potenzielle Biomarker einer MAP-Infektion wurden im Headspace von Kot 9 VOCs der Gruppen Furane, Ketone und aliphatische Kohlenwasserstoffe und im Atemgas 3 VOCs (2-Methylbutanal, 2-Butanon und Benzen) identifiziert. Im Headspace der Kotproben wurden einige VOCs, wie z.B. 3-Methyl-2-Butanon und Isopren, in gleicher Weise durch die Infektion wie durch die physiologische Entwicklung des Verdauungstraktes beeinflusst. Lediglich die Furane erwiesen sich als ‚stabile‘ Marker einer MAP-Infektion. Durch Futteraufnahme wurden 5 Kohlenwasserstoffe signifikant verändert, diese konnten jedoch nicht mit einer MAP-Infektion in Zusammenhang gebracht werden.

Fazit: Die zugrunde liegenden Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass exhalierte VOCs maßgeblich vom Metabolismus des Wirtes beeinflusst sind. VOCs aus Kotproben haben hingegen eine höhere Aussagekraft über das Darmmilieu. Um VOCs als diagnostische Marker nutzen zu können, müssen die Einflüsse physiologischer Co-Faktoren und die daraus resultierende Variabilität flüchtiger Substanzen bekannt und definiert sein.

[1] Bergmann, A. et al. (2015) Plos One 10(4); [2] Fischer, S. et al. (2015) Journal of Breath Research 9: 027108; [3] Fischer, S. et al. (2015) Journal of Breath Research 9: 047113

(DFG RE 1098/4 – 1, DFG SCHU 1960/4 – 1)