Photoacoustic spectroscopy evaluation of the impact of smoking on the composition of exhaled air in patients with bronchopulmonary diseases

Full Text

ИО — интегральная оценка ЛОС — летучие органические соединения ОФВ1 — объем форсированного выдоха за 1-ю секунду СПВВ — спектр поглощения выдыхаемого воздуха ХОБЛ — хроническая обструктивная болезнь легких Одной из причин развития хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) является, как активное, так и пассивное курение. Свободные радикалы, содержащиеся в табачном дыме, нарушают равновесие в системе оксиданты—антиоксиданты, протеазы—антипротеазы, и тем самым приводят к развитию окислительного стресса, в результате которого в респираторном тракте развиваются структурные и функциональные нарушения. С увеличением возраста объем форсированного выдоха за 1-ю секунду (ОФВ1) снижается в среднем на 30 мл/год, тогда как у курящих людей почти на 60 мл/год. Выявлена прямая зависимость между активностью курения и скоростью снижения ОФВ1 [1, 2]. При отказе от курения ОФВ1 может несколько увеличиваться, но уже никогда не достигнет уровня некурящего человека [1, 2]. К сожалению, курение — это пагубная привычка не только мужчин, но и большого числа женщин, а также распространяется среди детей. Начало курения в возрасте 7—8 лет приводит к более раннему и быстрому развитию ХОБЛ [1]. Курение женщины во время беременности влечет за собой антенатальное повреждение легких ребенка, и как следствие более раннее развитие ХОБЛ [3, 4]. Курение не является причиной бронхиальной астмы (БА), но способствует поддержанию активного воспаления в дыхательных путях и может играть роль провокатора приступов удушья. Кроме того, активное курение родителей — одна из причин развития БА в ранний период жизни ребенка. По данным литературы, дети курящих матерей в 2 раза чаще заболевают БА, чем дети некурящих матерей [1, 3]. Проблема влияния курения на выдыхаемый человеком воздух широко обсуждается в мировой литературе. Проведенные исследования, как правило, касаются оценки влияния курения на выдыхаемый воздух пациентов с патологией легких, в частности больных ХОБЛ и Б.А. Наличие в выдыхаемом человеком воздухе более 80 органических соединений обусловлено курением [5, 6]. Имеются разные точки зрения на влияние курения на выдыхаемый воздух как здоровых лиц, так и больных ХОБЛ. В большинстве работ более высокий процент отличий зафиксирован при сравнении выдыхаемого воздуха пациентов с ХОБЛ и некурящих здоровых лиц. В исследовании M. Basanta и соавт. [7], показано, что ранее курившие пациенты с ХОБЛ отличаются от некурящих здоровых лиц в 73% случаев. В других исследованиях авторы более чем в 30% случаев не смогли отличить воздух, выдыхаемый больными ХОБЛ, от выдыхаемого некурящими здоровыми лицами; тем не менее в 66% случаев дифференцировали воздух, выдыхаемый пациентами с ХОБЛ, и выдыхаемый курящими здоровыми добровольцами [6]. N. Fens и соавт. [6] недостаточное разделение пациентов с ХОБЛ и здоровых курящих лиц при помощи анализа выдыхаемого воздуха объясняют тем, что некоторые летучие органические соединения (ЛОС) в выдыхаемом воздухе здоровых курильщиков идентичны тем, которые образуются в выдыхаемом воздухе пациентов с ХОБЛ. По данным литературы, выдыхаемый воздух курящих и отказавшихся от курения пациентов с ХОБЛ не различается по составу ЛОС [6]. Анализ выдыхаемого воздуха при помощи технологии «электронный нос» выявил, что «молекулярные отпечатки дыхания» пациентов с БА в 96% случаев отличаются от таковых при ХОБЛ, а также отличаются от «молекулярных отпечатков дыхания» здоровых людей как курящих, так и некурящих (точность 92,5 и 95% соответственно) [6, 8]. Опираясь на изложенные данные, можно предположить, что курение влияет на состав выдыхаемого воздуха как здоровых лиц, так и пациентов с ХОБЛ и БА. Цель: изучить влияние курения на состав выдыхаемого воздуха пациентов с ХОБЛ и БА, используя методы оптико-акустической спектроскопии. Материалы и методы Анализ выдыхаемого воздуха проводили при помощи оптико-акустического лазерного газоанализатора ILPA-1 (производство ЗАО «ЭльСиЭс Фасилити Менеджмент», Новосибирск) [9, 10]. Принцип работы данного прибора основан на взаимодействии лазерного излучения с газообразными соединениями, содержащимися в выдыхаемом человеком воздухе [10, 11]. Такие газоанализаторы имеют высокую чувствительность, хорошее временное разрешение и достаточную селективность. Применение данного оборудования позволяет использовать непосредственно выдыхаемый воздух без дополнительной пробоподготовки [10—12]. Выдыхаемый человеком воздух содержит в своем составе большое количество разнообразных соединений, некоторые из которых до сих пор не идентифицированы. По этой причине в данном исследовании не проводилось выделение отдельных компонентов газовой смеси, а применялся обобщенный критерий оценки состояния здоровья человека, а именно расчет интегральных оценок (ИО) спектров поглощения выдыхаемого воздуха (СПВВ) [10, 12]. ИО СПВВ строятся по значениям коэффициентов поглощения на выбранных линиях длин волн излучения лазера и позволяют выявлять связи между особенностями выдыхаемого человеком воздуха и наличием или отсутствием той или иной болезни [13]. ИО СПВВ позволяют количественно оценить близость исследуемого объекта к заданному множеству объектов путем сопоставления с каждым объектом некоторого числа [13]. Заданное множество объектов — это референсная группа, а сам объект — это скан СПВВ. Расчет И.О. СПВВ проводили в двух спектральных диапазонах, соответствующих ветвям 10P и 10R генерации CO2-лазера, обозначенных как первый и второй диапазоны соответственно. Для каждого из диапазонов находили значения ИО, обозначенные как ИО1 и ИО2 соответственно [10, 12]. В исследование включили 63 человека. Основная группа представлена 31 пациентом с ХОБЛ (все курильщики) и 16 пациентами с БА (курили 6). Контрольная группа представлена 16 некурящими здоровыми добровольцами. Расчет И.О. СПВВ проводили в двух используемых диапазонах для каждого пациента основной группы относительно референсной группы, представленной здоровыми некурящими лицами. Пробы выдыхаемого воздуха брали в одинаковых условиях, утром, натощак, до приема лекарственных препаратов. У каждого пациента для уменьшения случайной погрешности брали последовательно 3 пробы выдыхаемого воздуха, каждую из которых анализировали пятикратно. Таким образом, для каждого пациента получено 15 сканов СПВВ. На основании полученных сканов СПВВ проводили расчет ИО СПВВ в двух используемых диапазонах. Статистический анализ данных выполняли с использованием программы Statistics for Windows версия 6,0 («StatSoft Inc», США). Значения И.О. не подчиняются закону нормального распределения, поэтому результаты представляли в виде медианы (Me) и квартилей (25-й процентиль; 75-й процентиль). Достоверность различий одноименных показателей между двумя независимыми группами оценивали с помощью непараметрического критерия U Манна—Уитни. Различия считали статистически достоверными при р<0,05 [14]. Для оценки информативности и разрешающей способности предлагаемого метода выполнен ROC-анализ, дающий возможность определять пороговые значения ИО, при которых выявляется максимальное число больных и минимальное число неверно диагностированных случаев. Значения чувствительности, специфичности и точности более 85% считали статистически приемлемыми [14]. Результаты Результаты статистического анализа, где для каждой группы пациентов рассчитаны значения медианы и квартилей и даны результаты попарного сравнения групп пациентов с использованием критерия Манна—Уитни, представлены в табл. 1, 2. Таблица 1. Сравнение И.О. СПВВ некурящих здоровых лиц и пациентов с ХОБЛ Примечание. Здесь и в табл. 2 n— число человек в группе. Таблица 2. Сравнение И.О. СПВВ здоровых некурящих лиц и пациентов с БА (курящих и некурящих) Из табл. 1 видно, что статистически значимые различия между ИО СПВВ некурящих здоровых лиц и пациентов с ХОБЛ получены в обоих диапазонах спектра. При этом по данным проведенных нами ранее исследований при включении в референсную группу курящих лиц, различия наблюдались только между значениями ИО в первом диапазоне спектра [12]. Результаты, представленные в табл. 2, показывают, что ИО СПВВ пациентов с БА, как курящих, так и некурящих, отличаются от ИО некурящих здоровых лиц в обоих диапазонах спектра. Таким образом, курение пациентов с БА не влияет на дифференциацию от здоровых лиц. С целью оценки информативности метода выполнен ROC-анализ, данные которого представлены в табл. 3. Для расчетов использовали значения ИО в первом диапазоне. Курящие и некурящие пациенты с БА объединены в одну группу. Таблица 3. Пороговые значения ИО1 с указанием чувствительности, специфичности и точности Примечание. ИО1 — ИО СПВВ в диапазоне, соответствующем ветви генерации CO2-лазера 10P. Из табл. 3 видно, что после включения в референсную группу только некурящих здоровых добровольцев разделение их и пациентов с ХОБЛ составило 89% случаев. При включении в референсную группу здоровых, как курящих, так и некурящих лиц, разделение здоровых и пациентов с ХОБЛ при помощи анализа выдыхаемого воздуха возможно только в 70% случаев [12]. Разделение некурящих здоровых лиц и пациентов с БА возможно в 94% случаев, тогда как при включении в референсную группу здоровых лиц как курящих, так и некурящих точность метода уменьшается до 85% [12]. Обсуждение Полученные данные относительно сравнения ИО СПВВ пациентов с ХОБЛ и некурящих здоровых лиц с учетом данных ранее проведенных нами исследований [12] свидетельствуют, что во втором используемом диапазоне регистрируются спектры соединений, образование которых связано с курением. Эти вещества входят в состав выдыхаемого воздуха как здоровых курильщиков, так и курящих пациентов с ХОБЛ, что согласуется с данными других исследователей [6]. Профиль ЛОС в выдыхаемом воздухе пациентов с БА отличается от профиля выдыхаемого воздуха как курящих, так и некурящих здоровых лиц [6]. Полученные нами в этом исследовании результаты подтверждаются данными мировой литературы. Анализ полученных результатов дал возможность рассчитать пороговые значения ИО1, которые позволяют отличать некурящих здоровых лиц от пациентов с БА и ХОБЛ в 94 и 89% случаев соответственно (см. табл. 3). Заключение Таким образом, курение оказывает существенное влияние на состав выдыхаемого воздуха здоровых лиц, что необходимо учитывать при диагностике ХОБЛ и БА методом анализа выдыхаемого воздуха с применением оптико-акустической спектроскопии. Использование референсной группы, сформированной из некурящих здоровых лиц, позволяет повысить точность при выявлении ХОБЛ и БА. Работа выполнена в рамках гранта ФЦП (контракт № 14.578.21.0082). Конфликт интересов отсутствует.

About the authors

E B Bukreeva

A A Bulanova

Yu V Kistenev

O Yu Nikiforova

References

Supplementary files