Analyse der Ausatemluft zur Früherkennung von Brust- und Lungenkrebs: Prinzip und wissenschaftliche Evidenz

DOI: https://doi.org/10.47184/td.2021.02.06

Die Analyse volatiler organischer Substanzen (VOCs) der Ausatemluft birgt beträchtliches Potenzial für die Früh­erkennung maligner Erkrankungen wie dem Lungen- oder Brustkarzinom: Robuste und sensitive Nachweismethoden erlauben die Identifikation und Quantifizierung spezifischer VOC-Signaturen, die bereits frühzeitig auf tumorassoziierte metabolische Veränderungen hinweisen können. Die derzeitige Studienlage belegt die wachsende Evidenz auf diesem Gebiet und gibt Grund zur Hoffnung, die Atemgasanalyse in Zukunft als zuverlässige, nicht-invasive Technik auch der breiten Routineanwendung zugänglich machen zu können.

Schlüsselwörter: Sensitivität, Spezifität, Screening, Massenspektrometrie, Multigassensoren

Valide und praktikable Früherkennungs- und Screeningverfahren zur Identifikation von Lungen- und Brustkarzinomen (Lungen- und Brust-CA) sind wichtige Eckpfeiler eines effektiven Krebsmanagements. Lungenkrebs ist nach wie vor die häufigste krebsassoziierte Todesursache und gehört mit dem Brustkrebs zu den häufigsten Krebsdiagnosen [1]. Für das Lungenkrebs-Screening existieren die Empfehlung für die Niedrigdosis-Computertomografie (CT) sowie vielversprechende Ansätze zu Gen- und Protein-basierten Verfahren. Allerdings liegt die Teilnahmerate an CT-Screening-Programmen selbst in den USA, wo dieses Verfahren bereits etabliert ist, nur bei etwa 10 % der Teilnahmeberechtigten [2]; Gen- und Protein-basierte Verfahren sind außerhalb der Studienanwendung kaum für die Routine verfügbar. Beim Brustkrebs konnte die Mortalität mithilfe von Mammografie-Screening-Programmen und verbesserten Behandlungsmöglichkeiten zwar deutlich gesenkt werden, jedoch mit dem Nachteil einer in Bezug auf die Mammografie zusätzlichen Strahlenbelastung, methodischen Unannehmlichkeiten wie der Quetschung der Brust und des Risikos einer Überdiagnose [3]. In beiden Fällen erfordern die derzeit etablierten Methoden zur Früherkennung eine invasive Bestätigungsdiagnostik (Biopsie) und sind darüber hinaus oft nicht in der Lage, sehr frühe Erkrankungsstadien zuverlässig zu detektieren. Aus diesen Gründen ist das Interesse an neuen spezifischen, nicht-invasiven Biomarkern zur Frühdiagnose des Lungen- und Brust-CA nach wie vor sehr hoch.
Einen solchen neuartigen Biomarker stellen die volatilen organischen Substanzen (VOCs) der Ausatemluft dar, also die volatile Fraktion endogener Metaboliten, die im Exhalat nachgewiesen werden können. Die Forschung an VOCs reicht bis in die 1970er bis 1990er-Jahre zurück, als die ersten VOCs nachgewiesen [4], einzelnen Krankheitsbildern zugeordnet [5, 6] und erstmalig zur Identifikation von Patienten mit Lungen-CA eingesetzt werden konnten [7].
Heute ist die frühe Diagnose von Lungen- und Brust-CA mittels Atemgasanalyse Gegenstand intensiver Forschung. Mit diesem Artikel möchten wir die prinzipielle Funktionsweise, die aktuelle Studienlage sowie eine mögliche Positionierung der Atemgasanalyse im Kontext existierender Diagnose- und Screeningverfahren erläutern und diskutieren.

Prinzip der Atemgasanalyse

Die normale Ausatemluft enthält neben N2, CO2, O2 und H2O über 3.000 VOCs in nano- bis picomolaren Konzentrationen [8]. Mehrheitlich stammen diese VOCs aus dem Blut und diffundieren in der Lunge über die Alveolarmembran in den Alveolarraum, von wo aus sie abgeatmet werden (Abb. 1). Da die VOCs der Ausatemluft die physiologischen und metabolischen Prozesse der Körperzellen, der Gewebe sowie des Mikrobioms widerspiegeln, manifes­tieren sich im Rahmen einer Erkrankung alle relevanten biologischen Prozesse wie oxidativer Stress oder Inflammation in den exhalierten VOCs. Hierzu zählen auch die möglichen zugrunde liegenden Veränderungen auf Genom-, Transkriptom- und Proteom-Ebene [9].
Vom ersten Tag an weisen Krebszellen veränderte metabolische Prozesse auf, die zu charakteristischen VOC-Profilen führen [10]. Zu nennen sind hierbei etwa die als Warburg-Effekt bekannte erhöhte glykolytische Aktivität [11], die verstärk­te Produktion reaktiver Sauerstoffspezies mit den dadurch verursachten Zellschäden [12] sowie individuelle Veränderungen der Genexpression [13]. Auch das umgebende Mikromilieu eines Tumors wie etwa krebsassoziierte Fibroblasten antwortet auf die Anwesenheit kanzerogener Zellen mit biologischen Prozessen, die sich im VOC-Profil eines Patienten nachweisen lassen [14]. Darüber hinaus können durch veränderte enzymatische Prozesse (z. B. Cytochrom P450) auch aus den volatilen Stoffwechselprodukten selbst charakteristische VOCs gebildet werden. In der Summe resultiert hieraus eine erkrankungsspezifische VOC-Signatur, die eine exakte Differenzierung zwischen Gesunden und etwa Patienten mit Lungen-CA [15, 16] oder Brust-CA erlaubt [14].
Durch das Sammeln der Ausatemluft über einen längeren Zeitraum und eine entsprechende Konzentrierung können dabei auch die VOCs in äußerst geringen Konzentrationen nachgewiesen werden. Dies stellt einen zentralen Vorteil der VOC-Biomarker gegenüber anderen Bio­markern wie zirkulierenden Tumorzellen (oder Tumor-DNA) dar, die gerade in der Frühphase der Erkrankung in oftmals nicht nachweisbaren Mengen auftreten. Ein zusätzlicher Vorteil: Die Probengewinnung ist leicht und vor allem nicht-invasiv durchführbar und die Analyse ohne eine weitere Prozessierung der Proben in Echtzeit möglich (Abb. 1).

Zum Nachweis krebsrelevanter VOCs existieren zwei Techniken: auf analytischer Massenspektroskopie basierende Methoden und Multigassensoren („elektronische Nasen“). Unter den auf Massenspektroskopie basierenden Methoden stellt sicherlich die Massenspektrometrie-gekoppelte Gaschromatografie (GC-MS) den Goldstandard der Atemgasanalyse dar, da sie bei hoher Sensitivität sowohl die Identifizierung unbekannter Substanzen als auch deren Quantifizierung ermöglicht. Aufgrund der Größe der entsprechenden Geräte erfordert diese Methode jedoch einen Transfer bzw. eine Lagerung der gewonnenen Proben etwa in eigens entwickelten Probeballons. Neben der Gaschromatografie existieren weitere Verfahren zur Probenseparation wie die Protonen-Transfer-Reaktions-Massenspektrometrie (PTR-MS), die Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (FTICR-MS) oder die Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS). Multigassensoren sind in der Regel einfach anzuwendende, kostengünstige und transportable Nanosensoren, die direkt am Krankenbett eingesetzt werden können. VOCs werden dabei von einzelnen Sensoren adsorbiert und verändern dadurch deren Eigenschaften (z. B. die Leitfähigkeit). Daher können zwar individuelle VOCs bzw. VOC-Muster detektiert werden, eine Substanzidentifikation ist jedoch im Gegensatz zu den MS-gekoppelten Verfahren nicht möglich. Einzelne Verfahren der Atemgastestung sind bereits kommerziell erhältlich und verfügen über eine entsprechende CE-Kennzeichnung [17].

Atemgasanalyse bei Lungen- und Brust-CA

Der Atemtest zur Diagnose des Lungen- und Brust-CA hat sich zu einem ernst zu nehmenden Verfahren entwickelt, die Fortschritte spiegeln sich in der wachsenden Zahl entsprechender Publikationen und klinischer Studien wider. Allein 2020 wurden bei Pubmed über 3.500 Publikationen zum Thema VOCs und Atemgasanalyse gelistet, davon mehr als 10 % im Bereich der Krebsforschung. Der Proof of Concept der Atemgastestung zur Detektion maligner Erkrankungen kann als erbracht gelten und eine aktuelle Metaanalyse fasste kürzlich die Ergebnisse von 63 zum Teil qualitativ hochwertigen Biomarker-Discovery-Studien zusammen [18]. In diesen Studien wurden zwischen 5 und 220 Patienten mit verschiedenen Krebsentitäten und unterschiedlichen Erkrankungsstadien jeweils mit einer gesunden Kontrollpopulation und/oder mit Patienten mit benignen Erkrankungen des gleichen Organs verglichen. Bei den VOCs, die am häufigsten mit einer Krebserkrankung assoziiert waren, handelte es sich um 2-Butanon, 1-Propanol, Nonylaldehyd, Isopren, Ethylbenzol, 4-Methyloctan, 3-Hydroxy-2-butanon, Aceton, Toluol, Ethanol, Pentanal, Heptanal und Pentan. Die Autoren ermittelten eine gepoolte Sensitivität und Spezifität der eingesetzten Verfahren von 79 % (95%-Konfidenzintervall [KI]: 77 %–81 %) und 89 % (95%-KI: 88 %–90 %) und schlussfolgerten u. a., dass gerade die nicht-invasive Natur der Atemgasanalyse einen entscheidenden Vorteil im Hinblick auf die Patientenakzeptanz darstellt.
Tab. 1 zeigt eine Auswahl der Studien, die zur Identifikation von Patienten mit Lungen- oder Brust-CA mittels Atemgasanalyse durchgeführt wurden.

Tab. 1: Ausgewählte Studien zur Atemgasanalyse beim Lungen- und Brustkarzinom.

Studie

CA-Patienten (n)

Untersuchungs-
gruppen
TechnikSensitivität
(%)

Spezifität
(%)

Lungenkrebs

Bajtarevic et al., BMC cancer 2009

220/65

gesund/malignePTR-MS/ GC-MS80

100

Bousamra et al., J Thorac Cardiovasc Surg 2014107benigne/maligneFT-ICR-MS8374
Fu et al., Cancer Med 2014

97

gesund/benigne/maligne

FT-ICR-MS89,8

81,3

Fuchs et al., Int J Cancer. 201012gesund/maligneGC-MS7595,8

Handa et al., PLoS One 2014

50gesund/maligne

IMS

76100
Li et al., Lung cancer 2015

85

gesund/benigne/maligneFT-ICR-MS/GC-MS9664-100
Ligor et al., Clin Chem Lab Med 200965gesund/maligneGC-MS51100
Ligor et al., J Breath Res 2015123gesund/maligneGC-MS63,572,4
Phillips et al., Chest 200367gesund/maligneGC-MS85,180,5
Phillips et al., Cancer Biomark 2007193gesund/maligneGC-MS84,680,0
Phillips et al., Clin Chim Acta 2008193gesund/maligneGC-MS84,581
Poli et al., Respir Res 200536gesund/benigne/maligneGC-MS72,293,6
Sakumura et al., Sensors 2017107gesund/maligneGC-MS9589
Schumer et al., J Thorac Cardiovasc Surg 2015156gesund/benigne/maligneSilicon Chip-MS93,685,6
Song et al., Lung cancer 201043gesund/maligneGC-MS95,385,4
Brustkrebs
Barash et al., Oncotarget. 201580gesund/maligneGC-MS81-8876-96
Li et al., Clin Chim Acta 201422gesund/maligneGC-MS72,791,7
Phillips et al., Breast J 200351gesund/maligneGC-MS94,173,8

PTR-MS: Protonen-Transfer-Reaktions-Massenspektrometrie, GC-MS: Massenspektrometrie-gekoppelte Gaschromatografie, FT-ICR-MS: Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie, IMS: Ionenmobilitätsspektrometrie.

Die Patienten (Stichprobenumfang zwischen 12 und 220 Patienten) befanden sich jeweils in unterschiedlichen Erkrankungsstadien. Die dominierende Analysetechnik war die GC-MS. Bei der Identifikation von Patienten mit Lungen-CA bzw. Brust-CA lag die Sensitivität zwischen 51 % und 96 %, die Spezifität zwischen 72,4 % und 100 %. Bei einigen dieser Studien handelte es sich eher um Proof-of-Concept-Studien zur Erprobung eines Testsystems oder Auswertungsalgorithmus, andere Studien dienten der Identifikation diagnostisch relevanter VOC-Signaturen. Aktuell nennt ClinicalTrials.gov mehr als 30 Studien allein zur Atemgasanalyse bei Lungen- und Brust-CA, sodass in Kürze mit weiteren und womöglich wegweisenden Ergebnissen zu rechnen sein wird.

Potenzial und Herausforderungen

Die wissenschaftliche Evidenz zur Identifikation des Lungen- und Brust-CA mittels Atemgasanalyse ist deutlich gewachsen. Dabei erlauben nicht einzelne VOC-Biomarker, sondern eher die Kombination verschiedener krebsspezifischer VOCs und anderer VOCs, die auch bei Gesunden gefunden werden und aufgrund einer Konzentrationsänderung auf eine maligne Erkrankung hindeuten, die präzise und akkurate Detektion eines Lungen- oder Brust-CA. Somit könnte die Identifikation solcher spezifischer VOC-Signaturen dazu beitragen, mit der Atemgasanalyse ein nicht-invasives, einfach anzuwendendes und kostengüns­tiges Tool dauerhaft zu etablieren, das nicht nur zum Screening, sondern auch zur Verlaufs- und Therapiekontrolle eingesetzt werden könnte.
Vor der Anwendung in der klinischen Routine stehen jedoch wichtige Standardisierungen hinsichtlich der technischen Exhalatgewinnung, -sammlung und -analyse sowie die Beurteilung möglicher Störfaktoren, die die Aussagekraft der Atemgasuntersuchung beeinträchtigen könnten. Hierzu zählen etwa der mögliche Einfluss von Begleiterkrankungen sowie die Expositionen mit chemischen Noxen, die entweder zu zusätzlichen, exogenen VOCs oder zu einer Veränderung des endogenen VOC-Profils führen können. Auch hinsichtlich der diagnostisch relevanten VOCs und VOC-Signaturen gibt es noch keinen ausreichenden Konsens.
Es sind also weitere klinische Studien mit ausreichender Power notwendig, um die Atemgasanalyse als Bestandteil der klinischen Krebsfrüherkennung bzw. des Krebs-Screenings zu etablieren. Dabei kann es nicht Ziel sein, die bisherigen diagnostischen Verfahren zu ersetzen. Vielmehr könnte die Atemgastestung als zusätzlicher Parameter in Risiko-Scores integriert werden, um Risikopatienten zu identifizieren. Auch Personen, die vorhandene Screeningangebote wie etwa die Mammografie ablehnen, könnten mit der einfach durchzuführenden Atemgas­testung erreicht werden.

Fazit

Als Schlussfolgerung aus der aktuellen wissenschaftlichen Evidenz scheint die Atemgastestung eine einfache und sichere Möglichkeit zu sein, krebsspezifische VOC-Signaturen, die aus den meist früh im Krankheitsverlauf auftretenden Veränderungen auf Genom-, Transkriptom- und Proteom-Ebene resultieren, zuverlässig zu detektieren. Weitere Forschung und klinische Validierung ist allerdings notwendig, um diese innovative Methode der breiten Routineanwendung zugänglich zu machen.