Het genoom, epigenoom en microbioom hebben een relatief nieuw familielid: het ‘breathoom’. Een massaspectrometer en een elektronische neus analyseren uitgeademde lucht en dat levert een schat aan informatie op.

‘Eigenlijk is het adempatroon een afspiegeling van het metabolisme van het lichaam’, zegt Jan Willem Gerritsen, cto van The eNose Company. ‘In uitgeademde lucht zitten duizenden verschillende soorten stofjes, ofwel volatile organic compounds, VOCs, in heel kleine hoeveelheden. Als iemand een bepaalde ziekte onder de leden heeft, krijgt diegene andere concentraties van VOCs in het bloed en daarmee een andere samenstelling van de uitgeademde lucht.’

Met ‘breathomics’ is het vervolgens mogelijk de juiste informatie eruit te halen, bijvoorbeeld of er sprake is van oxidatieve stress, of ontstekingsreacties. Adem­metingen vinden al langer plaats. Denk aan de alcoholtest of de test voor Helico­bacter pylori in de maag. ‘Maar we zien nu de trend dat wetenschappers geavanceerde analytische apparatuur als GC-MS en een slim instrument als de elektronische neus inzetten, waarbij ze handig gebruikmaken van technieken om big data te analyseren’, zegt Frederik-Jan van Schooten, hoogleraar genetische en moleculaire toxicologie van Maastricht University. Dat geeft in de toekomst ongekende mogelijkheden voor diagnosestelling en therapiekeuze voor een patiënt.

Gouden standaard

Bij GC-MS kijk je naar individuele componenten in de uitgeademde lucht. Eerst is het zaak de adem op te vangen. De persoon kan (na een bepaalde vastenperiode en spoelen van de mond) direct in het adem­analysetoestel ademen, of hij kan in zakken ademen, waarna de uitademingslucht terechtkomt in buisjes die koolstof bevatten om de VOCs af te vangen. ‘De off­linemethode is het betrouwbaarst, maar kan lastig zijn omdat de toestellen nog te groot en te immobiel zijn’, zegt Kevin Lamote, postdoc aan de Universiteit van Antwerpen.

Van Schooten en zijn team gebruiken een dat de adem op de buizen brengt en waarbij je de alveolaire gassen via een CO₂-klep vangt. ‘Op deze manier is het meer gestandaardiseerd dan het gebruik van zakken’, verklaart hij. Vervolgens gaat de opgevangen longinhoud in de gecombineerde GC-MS-opstelling. Daarbij zet je thermale desorptie in om de VOCs te laten vrijkomen. Massaspectrometrische scheiding vindt plaats via time-of-flight (TOF) of zelfs quadrupool-TOF (qTOF). Lamote: ‘In de toekomst hopen we gebruik te kunnen maken van twee GC-kolommen gecombineerd met die systemen (GCxGC-qTOF-MS), omdat dat een nog betere scheiding geeft tussen verschillende chemische klassen van VOCs.’

Het gaat dus om enorm dure en ingewikkelde toestellen, maar ze zijn wel nodig, menen zowel Lamote als Van Schooten. ‘Massaspectrometrie is de gouden standaard in ademanalyse, omdat die een zeer lage detectielimiet heeft en zeer precies toelaat na te gaan welke VOCs in de adem aanwezig zijn en in welke concentraties. Op die manier ontdek je subtiele verschillen tussen patiënten en controles bij gezonde mensen waarmee je onderscheid kunt maken’, vertelt Lamote.

Algoritmes trainen

Bij de analyse van de verkregen GC-MS-gegevens pas je technieken toe om patronen te herkennen zoals in big data. Van Schooten legt uit hoe dat werkt. ‘We ontdekken biomarkers van een bepaalde ziekte door multivariaat statistische analyse en machine learning. Het komt erop neer dat je niet kijkt naar één specifieke component, maar naar combinaties van componenten. Om een diagnostische set van verbindingen te vinden, in bijvoorbeeld een studie van honderd mensen met en honderd mensen zonder de aandoening, train je algoritmes bepaalde diagnostische combinaties van VOCs te herkennen bij 80 % van de populatie. En dan kijk je naar de specificiteit en de sensitiviteit van de verkregen algoritmes. Vervolgens valideer je de algoritmes in de overige 20 % van de populatie.’

Bij ademanalyse denk je waarschijnlijk eerst aan toepassing bij longziektes. En inderdaad blijkt het goed mogelijk om met de GC-MS-ademtest onderscheid te maken tussen patiënten met longkanker en gezonde personen. Momenteel laat de onderzoeksgroep van Lamote daarop een externe validatie los. ‘Screening met een CT-scan kan de mortaliteit van longkanker met 26 % verlagen. Dit is mooi, maar het leidt wel tot een enorm aantal vals-positieve gevallen. Wanneer je namelijk een vlekje in de longen ziet, moet je een biopt nemen. Die biopten zijn duur, tijdrovend en niet fijn voor de personen in kwestie. En dat terwijl een vlekje in de longen in veel gevallen niets blijkt te zijn. De ademtest kan dus perfect dienen om patiënten aan te reiken voor CT-screening, waardoor je het aantal vals-positieve gevallen terugdringt.’

Ditzelfde geldt voor de colonscopie die mensen moeten ondergaan bij wie tijdens een screening bloed in de ontlasting is aangetroffen, wat zou kunnen duiden op darmkanker. Ook daaraan hangt een hoog prijskaartje; het kost gastro-enterologen veel tijd en het is een onaangename ingreep. Dat is extra vervelend als achteraf blijkt dat het niet nodig was. Van Schooten en zijn collega’s houden zich bezig met de inzet van de ademtest als alternatief. ‘Onze ademtest kan onderscheid maken tussen gezonde mensen en patiënten met de ziekte van Crohn, darmontsteking of darmkanker. We zijn nu bezig de methode in ziekenhuizen in Duitsland en Polen te valideren.’

Niet-selectief

‘Er is nog geen standaardisatie over hoe je een ademsample neemt’, vertelt Lamote. ‘Ziekenhuizen hanteren verschillende methodes en dat maakt vergelijken van onderzoeken lastig, evenals het aanduiden van eenduidige biomarkers voor ziekte. Er loopt wel een studie om tot een gestandaardiseerd protocol te komen.’

Hoewel een GC-MS-systeem voor adem­analyse goed werkt, is het voor de kliniek misschien niet ideaal. Het gaat om een duur apparaat dat geconditioneerde meet­omstandigheden nodig heeft en specialisten om het te bedienen. En dus kijken ziekenhuizen die breathomics daadwerkelijk in de spreekkamer van de arts willen inzetten op dit moment nog het meest naar e-neuzen. ‘Een e-neus kun je ook in de jungle van Venezuela gebruiken. Dat zie ik met een GC-MS-apparaat voorlopig niet gebeuren’, zegt Gerritsen.

Waar je met GC-MS heel specifiek kunt kijken naar waarin precies het verschil zit tussen zieke en gezond e mensen, maakt een e-neus onderscheid op basis van het gehele mengsel van componenten. ‘De sensoren in een e-neus zijn niet-selectief’, vertelt Peter Sterk, emeritus-hoogleraar pathogenese en pathofysiologie van luchtwegaandoeningen aan het Amsterdam UMC en als adviseur betrokken bij e-neus-fabrikant Breathomix. ‘Je kunt het vergelijken met onze eigen neus wanneer we koffie ruiken. Je neus weet niet wélke individuele VOCs zijn betrokken bij de typische geur van koffie, maar herkent het patroon van het geheel van stoffen.’

Sensoren

The E-nose Company en Breathomix zijn momenteel de twee bedrijven in Nederland die e-neuzen ontwikkelen, die ze respectievelijk Aeonose en BreathBase noemen. The eNose Company was voorheen een IT-bedrijf. Gerritsen: ‘Na contact met een onderzoeker die bezig was met ‘ruiken’ aan het speeksel van tuberculosepatiënten besloten we ons te gaan richten op medische toepassingen van e-neuzen. In 2013 hebben we de The E-nose Company opgericht.’ Breathomix komt als spin-off uit de onderzoeksgroep van Sterk. ‘We waren al aan het onderzoeken of we iets konden doen met de adem van longpatiënten en hebben aanvankelijk allerlei commercieel beschikbare systemen getest. Uiteindelijk heeft onze groep een eigen systeem gebouwd en dat leidde tot Breathomix.’

Zowel Aeonose als BreathBase gebruiken verschillende types metaaloxides als sensoren. ‘Een aantal gassen in de uitgeademde lucht kunnen een redoxreactie ondergaan met die sensoren’, vertelt Gerritsen. ‘Op dat moment verandert de geleidbaarheid en die meet je. Tegelijkertijd laten we die sensoren ook door een temperatuurprofiel lopen tussen 280 en 320 °C. Alles bij elkaar zijn er 32 meetmomenten van de geleidbaarheid per temperatuurcyclus. Je krijgt dan een uniek patroon van de adem.’

Het apparaatje zelf lijkt volgens Gerritsen wel wat op de alcoholtester bij de politie. De persoon in kwestie moet er vijf minuten doorheen ademen; twee minuten om de longen schoon te spoelen via een koolstoffilter en drie minuten meten. Daarna wordt er ook nog tien minuten lang data verzameld over de desorptie van de sensoren en worden opgeslagen VOCs uit de adem een extra ronde over de sensoren geleid. ‘Ten slotte gaan de gegevens via de iPad naar onze server in Amsterdam. Daar staat het algoritme klaar dat het onbekende ademprofiel vergelijkt met de geleerde patronen van zieken. De diagnose komt direct terug naar de iPad.’

Goede aanvulling

Beide bedrijven hebben inmiddels een groot aantal klinische studies achter de rug met hun e-neus. In het geval van The eNose Company gaat het om verschillende types kanker, zoals hoofd-halskanker, longkanker, prostaatkanker, darmkanker en slokdarmkanker. ‘Bij Barrett’s-slokdarm, een voorloper van slokdarmkanker, diagnosticeer je momenteel door cellen van de slokdarmwand af te schrapen, geen prettige methode. Als je dit kunt vervangen door ademanalyse, is dat veel patiëntvriendelijker’, zegt Gerritsen. Ook infectieziektes, zoals de dodelijke tuberculose, passeren er de revue. ‘Daarvoor is het heel moeilijk een snelle en betrouwbare diagnostiek te ontwikkelen, maar het lijkt er nu op dat ademanalyse die taak wel aankan.’

Sterks onderzoeksgroep blinkt uit in astma en COPD. ‘Die twee zijn klinisch soms moeilijk te onderscheiden. Ook is het lastig na te gaan of het gaat om een eosinofiele ontsteking - gedomineerd door eosinofiele granulocyten, afweercellen in de longen, of een neutrofiele ontsteking - waarbij neutrofielen domineren. Terwijl dit wel belangrijk is voor de keuze voor medicatie. De e-neus is goed in staat ons een inflammatoir fenotype te geven.’ De onderzoeksgroep is ook actief op het gebied van longkanker. ‘Wij zijn in staat om in 89 % van de gevallen juist aan te geven of een longkankerpatiënt goed gaat reageren op immunotherapie. Dat is nét geaccepteerd voor publicatie en is voor de praktijk geweldig, omdat er geen andere test is waarbij dit goed lukt.’

De e-neus is dus zeer geschikt voor de dagelijkse praktijk in de kliniek, terwijl het GC-MS-systeem goede zaken doet in de bestudering van wát er precies in de adem zit. Beide technologieën vullen elkaar prima aan. ‘Zo kun je bij een bepaalde ziekte zien welke soorten moleculen vaak voorkomen en dan sensoren maken voor een e-neus die deze verbindingen beter oppikken’, zegt Sterk. Van Schooten beaamt: ‘Je kunt dus het een gebruiken om het ander te optimaliseren.’