KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA

REDACTIONEEL

EDITIE 35, MEI 2018

Adembenemend gevoelig analytisch meten bij Philips Innovation labs

Het Materials Analysis lab, één van de vijf expertisecentra binnen Philips Innovation labs, heeft meer dan 35 analytische technieken in huis, waarmee de 40 experts de moeilijkste vragen kunnen oplossen. Expert op het gebied van GC-MS en LC-MS is Hugo Knobel. Hij ontwikkelde met zijn collega Ruud Soers een GC-MS methode om nanoconcentraties van vluchtige organische verbindingen (VOC’s) in de adem van mensen te bepalen, en voerde voor diverse onderzoeksprojecten de metingen uit.

 

Hugo Knobel is bij Philips Innovation labs expert op het gebied van GC-MS en LC-MS. Mede dankzij de door Da Vinci Laboratory Systems geleverde thermische desorptiesystemen van Gerstel kunnen met GC-MS nanoconcentraties van vluchtige organische verbindingen (VOC’s) in de adem van mensen worden bepaald.

Labradors die in 90% van de gevallen darmkanker kunnen detecteren op basis van de geur van de adem van de patiënt; een Belgische herdershond die een soortgelijk percentage haalt bij de geurdetectie van urinemonsters van mannen met prostaatkanker. Even googlen levert je tientallen hits op van tot deze tot de verbeelding sprekende diagnostiek. “Je kunt allerlei vragen opwerpen over de opzet van deze experimenten en de waarde van de resultaten, maar op het principe erachter valt weinig af te dingen. Dat is namelijk exact hetzelfde als bij de analyses die we de afgelopen tijd hebben uitgevoerd in het kader van twee grote onderzoeksprojecten op het gebied van ademanalyse. Alleen gebruiken we in plaats van het reukorgaan van de hond een GC-MS systeem, waarmee we voor verschillende onderzoeksinstellingen honderden verschillende vluchtige organische stoffen in de adem van patiënten en gezonde vrijwilligers analyseren”, zegt Hugo Knobel, specialist GC-MS en LC-MS bij het Materials Analysis lab van Philips Innovation labs in Eindhoven.

 

Profiling

VOC’s worden gevormd bij allerlei processen in de cel en verlaten op den duur het lichaam via het bloed in zweet, urine of adem. De gedachte is dat bij tal van ziektes bepaalde metabole processen anders verlopen dan normaal. Dat zou je dan terug moeten kunnen zien in verschillen in de samenstelling van de VOC’s in de adem. Uitdaging is om VOC-profielen te vinden die karakteristiek zijn voor een bepaald ziektebeeld. Die kan je dan gebruiken voor diagnose van dat ziektebeeld of om te bepalen of een behandeling (bijvoorbeeld met bepaalde geneesmiddelen) aanslaat. Philips Innovation labs is betrokken bij twee grote onderzoeksprojecten, waarin het de methode-ontwikkeling voor zijn rekening nam en de GC-MS analyses uitvoerde. In het EU-project U-BIOPRED (‘Unbiased BIOmarkers in PREDiction of respiratory disease outcome’) zijn onderzoekers van ondermeer het AMC en de Universiteit van Manchester op zoek gegaan naar biomarkers die inzicht geven in de verschillende subtypes en stadia van astma, zowel bij kinderen als volwassenen. Hierbij is niet alleen naar VOC’s gekeken, maar ook naar biomarkers in bloed en sputum, zoals DNA, eiwitten en lipides.

Op basis van data-analyse van de door Hugo Knobel en zijn collega’s uitgevoerde GC-MS analyses zijn enkele profielen gevonden van vluchtige verbindingen waarmee je een model kunt bouwen dat met een bepaalde zekerheid voorspelt om welke vorm van astma het gaat en hoe die mogelijk kan reageren op medicijnen. Het andere project draait om VAP, wat staat voor ‘ventilator associated pneumonia’, longontsteking die mensen kunnen krijgen als ze aan de beademing liggen. Patiënten hebben in de regel al iets van een ontsteking onder de leden, die door de verminderde weerstand c.q. het trauma dat ze hebben opgelopen, uitmondt in een echte ontsteking. Het is belangrijk om die ontsteking zo snel mogelijk te diagnosticeren, zodat je direct met de behandeling kunt beginnen, en dan ook nog het liefst met de juiste antibiotica. Waar het afnemen van bloedmonsters belastend is voor de patiënt en door het op kweek zetten ook nog eens lang wachten met zich meebrengt, kan je in het geval van de ademanalyse volstaan met het analyseren van de lucht die door de beademingsmachine gaat. Van dit project zijn de GCMS- analyses inmiddels afgerond en vindt momenteel bij projectdeelnemer Philips Healthcare de data-analyse plaats. Mochten hier significante VOC-profielen uitrollen, dan zou op basis hiervan in de toekomst een sensor of gasmonitor kunnen worden ontwikkeld die in de beademingsmachine kan worden gebouwd. Die kan dan bij het overschrijden van bepaalde drempelwaarden een alarmsignaal afgeven.

 

Het TDS 3 thermische desorptiesysteem biedt plaats biedt aan 20 desorptiebuizen.

 

 

In het Material Analysis lab wordt gewerkt met een keur aan analytische apparatuur,
waaronder deze drie GC-MS-systemen.

 

Pre-concentratie

Om nauwkeurig honderden verschillende VOC’s in lage concentraties (ppb’s tot ppt’s) in adem te meten is het traject vóór de GC-MS-analyse beslissend. “Om zo gevoelig te kunnen meten is een concentratiestap nodig. Hiervoor gebruiken we thermische desorptiebuizen van Gerstel. De deelnemers aan het astma-onderzoek hebben hiervoor een zakje, een soort van kleine Tedlar bag opgeblazen. Door daar met een pompje via de desorptiebuis wat lucht uit te trekken blijven de vluchtige verbindingen op de desorptiebuis achter. Een soortgelijke opzet hebben we toegepast bij het VAP-onderzoek, met dit verschil dat we de lucht uit de beademingsmachine konden opvangen. Dat is allemaal nog relatief eenvoudig, maar als je dan naar je analyseresultaten gaat kijken, blijkt dat er nog wel een en ander moet worden geoptimaliseerd. Allereerst moet je omgaan met de enorme hoeveelheid water die in de uitgeademde lucht zit. Die bleek voor de componenten van invloed op zowel de adsorptie op als de desorptie van de buis. Door een droogstap toe te voegen hebben we er wat dat betreft veel variatie uit weten te halen”, legt Hugo Knobel uit.

Het is ook zaak om signalen die geen direct verband hebben met de samenstelling van de adem eruit te filteren, zodat alleen de VOC’s uit de adem overblijven. Dat kan statistisch, door grote aantallen proefpersonen te gebruiken, zodat je kunt corrigeren voor bijvoorbeeld verschillen in samenstelling van de omgevingslucht en eetpatronen. Dat is echter vanwege de grote aantallen niet alleen een langdurige, maar ook een zeer kostbare kwestie.

“Met de keuze van de materialen die je bij het bemonsteren gebruikt en de mate van conditioneren kan je ook heel wat ruis op de lijn wegnemen. Omdat je zo gevoelig meet, kan wat dat betreft een ongeluk in het kleinste hoekje zitten. Zo maakten we tijdens het opzetten van de methode voor het astmaonderzoek gebruik van een groen slangetje dat artsen daar gebruikten. In de analyse zagen we ontzettend veel VOC’s terug; maar die kwamen voor een belangrijk deel uit het slangetje!
Met die slang is niets mis; die is schoon en officieel goedgekeurd voor in de IC. Maar omdat wij zulke lage concentraties onderzoeken, ga je dat terugzien. We hebben dat opgelost door andere materialen voor het samplen te kiezen en die goed te conditioneren. Dan heb je geen last van achtergrondsignalen. We hebben echter niet alles in de hand. Bij de beademingsmachine krijgt elke patiënt een nieuwe set met slangen en filters, en ook daar komen stofjes uit. Maar we zorgen er wel voor dat we alles wat we zelf kunnen controleren zo goed mogelijk geschikt te maken voor de meting. Daarom zijn we ook zo gespitst op de kwaliteit van de absorptiebuizen. Als je een lege absorptiebuis zou verwarmen, mag er eigenlijk niets te zien zijn. Maar dat is vanwege die gevoeligheid waarmee we meten geen uitgemaakte zaak. Derhalve moeten de buizen eerst goed worden geconditioneerd om een goede achtergrond te verkrijgen”, aldus Hugo Knobel.

 

Thermische desorptie

Net als de buizen zijn ook de thermische desorptiesystemen van Gerstel. Deze zijn door Da Vinci Laboratory Solutions geleverd en worden door datzelfde bedrijf onderhouden, net als overigens de MPS (Multi Purpose Sampler) systemen waarmee alle drie de GC-MS-systemen zijn uitgerust. Hugo Knobel maakt al zolang als hij bij Philips werkt (inmiddels ruim 17 jaar) gebruik van de thermische desorptiesystemen van Gerstel. Twee van de drie GC-MS-systemen zijn uitgevoerd met een TDS 3C, die plaats biedt aan 20 buizen. De andere is sinds kort uitgerust met de nieuwe TD 3.5, die een capaciteit heeft van 100 buizen. “We doorlopen met deze variant momenteel het validatietraject, maar zijn wel op voorhand blij met die extra capaciteit. Als je met grote series werkt, wat voor beide projecten het geval was, heb je met een capaciteit van 20 meer werk: je moet plannen wanneer de tray is leeggemeten, zodat je hem weer kunt vullen en verder kan meten. Met 100 kan je gemakkelijk overnacht doormeten, zelfs bijna het hele weekend!”

 

Semi-kwantitatief

Een gemiddeld chromatogram levert tussen de 100 en 300 verschillende VOC’s op. Daar zitten de stofwisselingsproducten aceton en isopreen bij, die echter in relatief hoge concentraties voorkomen en derhalve buiten het meetbereik liggen. “Als je echt je best doet, grote volumes zou verzamelen en er met GC x GC naar zou kijken, dan kun je er nog veel meer vinden. Want inmiddels zijn er al meer dan 1000 verschillende stoffen aangetoond in adem. Dat gaat echter te ver voor deze experimenten. Zo kunnen we ook niet elke VOC apart refereren aan een standaard. We zijn namelijk op zoek naar biomarkers zonder dat we vantevoren weten welke dat zijn. We willen zoveel mogelijk verschillende VOC’s bepalen en kijken daarna op basis van data-analyse of er één of meerdere zijn, waarmee je een model kunt maken voor in dit geval astma of VAP. Als je zo’n set hebt, zou je een referentiemengsel kunnen maken waar ze allemaal in zitten en dan kan je exact kwantitatief gaan meten en een validatiestudie doen op die set biomarkers. Maar dat is een stap verder. Nu houden we het op semi-kwantitatief. We kalibreren ons meetapparaat met bekende componenten, bijvoorbeeld tolueen. Daar zetten we alles tegen af. Dat is dan semi-kwantitatief, want die responsfactoren zullen per component enigszins verschillen”, legt Hugo Knobel uit.

 

Chromatogram van een ademmonster (1=aceton, 2=isopreen, 3*=N,N-dimethylacetamide,

4*=fenol, *onzuiverheden van de Tedlar bag).

 

Massaspectrum van isopreen,
een belangrijk stofwisselingsproduct in uitgeademde lucht.

 

Steeds gevoeliger meten

Omdat er in het Material Analysis lab zo laag kan worden gemeten is dat voor tal van markten interessant. Bijvoorbeeld de halfgeleiderindustrie, die vanwege de steeds hogere eisen aan hun producten met extreem zuivere gassen moet werken, wil de kleinst mogelijke verontreiniging kunnen detecteren. Dat heeft ook consequenties voor materialen die worden gebruikt in machines en apparaten.
Wat gebeurt er bijvoorbeeld als je materialen gaat verwarmen, welke vluchtige verbindingen komen eruit, en hoe zijn die van invloed op andere processen? “Ook voor dit soort vraagstukken doen we vaak een semi-kwantitatieve analyse, omdat we niet vooraf weten wat er precies uitkomt. Maar we kijken ook specifiek naar bepaalde verbindingen waarvan we weten dat die schadelijk zijn voor bijvoorbeeld apparatuur. Linksom of rechtsom komen we dan tot een oplossing, niet in de laatste plaats omdat we zo gevoelig kunnen meten. Want ppb’s en ppt’s, dat is toch echt onze core competentie”, aldus Hugo Knobel.

 

Da Vinci Laboratory Solutions

www.davinci-ls.com

 

Philips Innovation labs

www.lighting.philips.com/innovationlabs