Downloaded from UvA-DARE, the institutional repository of the University of Amsterdam (UvA) http://hdl.handle.net/11245/2.97005 File ID Filename Version uvapub:97005 Samenvatting unknown SOURCE (OR PART OF THE FOLLOWING SOURCE): Type PhD thesis Title Breathomics in pulmonary disease Author(s) N. Fens Faculty AMC-UvA Year 2011 FULL BIBLIOGRAPHIC DETAILS: http://hdl.handle.net/11245/1.366164 Copyright It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content licence (like Creative Commons). UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl) (pagedate: 2015-07-10)
Samenvatting Achtergrond Obstructieve longziekten kunnen grofweg ingedeeld worden in astma en chronisch obstructieve longziekte (engels: chronic obstructive pulmonary disease; COPD). Beide ziekten zijn chronische luchtwegaandoeningen en gaan gepaard met luchtwegobstructie. Bij astma zijn de luchtwegen overmatig gevoelig voor prikkels. Het kan gepaard gaan met allergieën voor bijvoorbeeld pollen, dieren of huisstofmijt, maar dat is niet altijd het geval. Andere prikkels waarop de luchtwegen kunnen reageren zijn een verkoudheid, koude lucht, inspanning of rook. De luchtwegen raken ontstoken en produceren overmatig slijm. Daarnaast spannen de spieren in de wanden van de luchtwegen zich aan. Beide processen zorgen ervoor dat de luchtweg smaller wordt, dit wordt luchtwegvernauwing genoemd. Dit is in de regel omkeerbaar bij astma. Symptomen van astma kunnen zijn: benauwdheid, piepende ademhaling, beklemd gevoel op de borst en hoesten, met name s nachts. Astma komt zeer veel voor: wereldwijd hebben meer dan 300 miljoen mensen astma. Het komt voor bij mensen van alle leeftijden, en kan variëren van mild tot zeer ernstig. Door de variabiliteit binnen de ziekte en doordat symptomen aspecifiek zijn, kan het stellen van de diagnose moeilijk zijn. De term COPD omvat de aandoeningen emfyseem (schade aan longblaasjes) en chronische bronchitis, hoewel de meeste patiënten met COPD een mengeling van beide aandoeningen hebben. De meeste COPD patiënten hebben een luchtwegobstructie die niet omkeerbaar is, maar gefixeerd. De definitie van COPD is gebaseerd op het meten van een verhoogde luchtwegweerstand met behulp van longfunctietesten. De meest voorkomende oorzaak van COPD is roken. Het is een ziekte die gewoonlijk in ernst toeneemt met de jaren, maar sommige patiënten verslechteren niet verder of laten zelfs een verbetering in longfunctie zien. Dit maakt het soms moeilijk te onderscheiden van astma. Na de technologische validatie van een nieuwe diagnostische test is een uitgebreide medische evaluatie noodzakelijk. Onderzoeken die gericht zijn op de diagnostische accuraatheid van een test hebben een standaard structuur, vergelijkbaar met de stappen die worden doorlopen voor het in gebruik nemen van nieuwe medicatie. Dit proefschrift beschrijft de vereiste stappen voor de invoering van moleculaire ademanalyse, kortweg breathomics, in de diagnostiek van longziekten. Het totale moleculaire patroon van adem kan in één enkele meting vastgesteld worden met behulp van elektronische neuzen (enoses) and gas chromatografie massa spectrometrie (GC-MS). Dit resulteert in een specifieke vingerafdruk van de adem, ofwel ademafdruk. In dit proefschrift ligt de focus op de validatie van ademanalyse voor de longziekten astma en COPD. Daarnaast is bepaald welke (ziekte-)processen de ademafdruk beïnvloeden bij astma en COPD. Verder is gekeken naar wat de toegevoegde waarde van de ademtest is bij het
166 onderverdelen in verschillende types van de complexe aandoening COPD. Methodologische kwesties met betrekking tot de grootschalige toepassing van ademtesten zijn onderzocht. Ten slotte is een zijstap gemaakt naar de vaatziekten door te onderzoeken wat de diagnostische potentie is bij het vaststellen van longembolieën. Perspectief van ademanalyse In hoofdstuk 2 is de ademtest in een medisch perspectief geplaatst als een op waarnemingen berust alternatief voor de gebruikelijke benadering die uitgaat van het ziekteproces. Omics technieken maken het mogelijk om op grote schaal data te verzamelen in verschillende domeinen, zoals het in kaart brengen van het totale moleculaire profiel van complexe monsters in één enkele meting. Hoofdstuk 2 beschrijft vanuit medisch en technisch oogpunt de recente vorderingen, de huidige stand van zaken en de toekomstige ontwikkelingen van breathomics (omics van de adem) gebruikmakend van GC-MS en elektronische neuzen. Medische voordelen van breathomics zijn o.a. het niet-invasieve karakter van de test, de mogelijkheid tot het opslaan van ademmonsters, de beschikbaarheid van draagbare apparatuur en de toepasbaarheid van de techniek in vele aandoeningen. Een nadeel is de onmogelijkheid tot het bepalen welke moleculen hun oorsprong vinden in het lichaam en welke moleculen simpelweg uit de omgevingslucht zijn ingeademd. Een ander nadeel is dat de kwaliteit en de samenstelling van ademmonsters wordt beïnvloed door vele factoren, zoals medicatiegebruik en dieet. Technologische voordelen van enose metingen zijn de lage kosten, de korte meettijd en het gebruik van patroonherkenning. Dit laatste maakt het mogelijk één enkel apparaat te gebruiken voor verschillende aandoeningen door slechts de diagnostische software aan te passen. Nadelen zijn onder andere de noodzaak de apparatuur eerst te trainen op een bepaalde aandoening voordat deze hierop toegepast kan worden, de beperkte vergelijkbaarheid tussen verschillende apparaten en de beperkte stabiliteit van sensoren. Hoofdstuk 2 legt de focus op de vooruitgang die is geboekt in de longgeneeskunde, maar aanbevelingen voor de toepassing kunnen eenvoudig naar andere vakgebieden binnen de geneeskunde worden vertaald. Op dit moment vinden de stappen voor introductie van deze test in de dagelijkse klinische praktijk plaats. Daarvoor dienen medische en technologische werkgroepen hun krachten te bundelen. Validatie De diagnostische validatie van de ademtest met behulp van een elektronische neus is onderzocht in hoofdstukken 3 en 4. Hierin wordt de standaard diagnostische evaluatie van een test volgens de STARD richtlijnen beschreven. De eerste stap van de interne validatie voor het onderscheiden van astma en COPD wordt behandeld in hoofdstuk 3. Klassiek astma kon met een zekerheid van 96% onderscheiden worden van COPD. Astma werd ook onderscheiden van gezonde personen (95%) en gezonde rokers (93%). COPD patiënten konden slechts deels
Samenvatting 167 onderscheiden worden van gezonde rokers (66%). Een voor de hand liggende verklaring voor dit lage percentage is de aanwezigheid van toekomstige COPD patiënten in de groep van gezonde rokers. Vervolgstudies moeten hier duidelijkheid over geven. Een andere belangrijke vinding was dat het onderscheid tussen de groepen reproduceerbaar was wanneer een tweede keer werd gemeten, en wanneer een andere enose werd gebruikt. De externe validatie vormt de tweede validatiestap en is beschreven in hoofdstuk 4. Het diagnostisch model verkregen in de studie in hoofdstuk 3 is hierbij getest in een nieuwe groep patiënten met klassiek astma en COPD. Dit resulteerde in een correcte identificatie van astma en COPD van 83%. Daarnaast is het model getest op een groep moeilijke patiënten met astma (gefixeerd astma) waarvan de longfunctie sterk lijkt op de longfunctie van COPD patiënten. De ademafdrukken van deze patiënten waren met 88% zekerheid van COPD te onderscheiden. Hieruit kan geconcludeerd worden dat astma en COPD gekenmerkt worden door specifieke ademafdrukken, die het mogelijk maken op een niet-invasieve manier onderscheid te maken tussen deze ziektes. Dat kan leiden tot een vermindering van misdiagnoses en de start van de juiste therapie. De laatste stap in de validatie van het diagnostisch model wordt op dit moment genomen. Hiervoor worden nieuwe patiënten met een verdenking op astma dan wel COPD getest. Het resultaat van de meting wordt vergeleken met het resultaat van de gouden standaard test, longfunctie. Het signaal in adem In hoofdstuk 5 is onderzocht waaruit het signaal in de uitgeademde lucht bij astma bestaat. Eén van de belangrijkste kenmerken van astma is de (variabiliteit van) luchtwegobstructie. Om de invloed van de mate van luchtwegobstructie op de ademafdruk te bepalen, ondergingen tien patiënten met astma een provocatietest waarbij kunstmatig een luchtwegvernauwing werd opgewekt. Daarnaast ondergingen alle patiënten een test waarbij zij een zoutoplossing moesten inademen, ter controle. In deze studie hebben wij aangetoond dat de provocatietest invloed had op de ademafdrukken. Echter, eenzelfde verandering in ademafdrukken was te zien na inademing van de zoutoplossing. Dit betekent dat de verandering in ademafdruk te wijten was aan het proces van vernevelen bij beide testen en niet door de verandering in luchtwegobstructie. Wij concluderen dat de ademafdrukken bij astma gemeten met de enose niet worden beïnvloed door de mate van luchtwegobstructie en door acute veranderingen hierin. In hoofdstuk 6 hebben wij de relatie tussen het uitgeademde signaal en luchtwegontsteking bij licht tot matig ernstig COPD bestudeerd. In deze studie is aangetoond dat enose- en GC-MS profielen enerzijds en individuele moleculen en markers van ontsteking in sputum anderzijds sterk aan elkaar gerelateerd zijn. Dit suggereert dat ademtesten gebruikt kunnen worden om op een snelle en niet-invasieve manier een beeld te krijgen van de luchtwegontsteking bij COPD, en dat dit mogelijk gebruikt kan worden voor het vervolgen van de aandoening. Of hetzelfde geldt voor astma wordt op dit moment onderzocht. Samenvatting
168 Typeren van COPD COPD is een aandoening met vele verschijningsvormen, en er zijn al meerdere methodes aangedragen om de ziekte onder te verdelen in zinvolle clusters van gelijksoortige patiënten. Deze clusters zouden de zorg voor individuele patiënten kunnen verbeteren en richting kunnen geven aan toekomstig onderzoek naar de ziekte. De indeling van COPD berust momenteel op de ernst van de luchtwegobstructie, maar er bestaan twijfels of deze indeling recht doet aan de vele verschijningsvormen van COPD in de (ex-)rokende gemeenschap en in de huisartsenpopulatie. In hoofdstuk 7 hebben wij onderzocht of ademafdrukken gemeten met een elektronische neus bijdragen aan het samenstellen van COPD clusters in een algemene populatie van 300 zware (ex-) rokers. In deze studie is een clusteranalyse uitgevoerd met variabelen uit verschillende domeinen, waaronder longfunctie, CT-scans van de longen, vragenlijsten en de ademtest. Dit resulteerde in drie COPD types: (1) ernstige luchtwegobstructie met een lage kwaliteit van leven, (2) licht COPD in combinatie met hart- en vaatziekten, met en zonder emfyseem en (3) chronische bronchitis. De ademafdrukken van de personen in deze clusters waren inderdaad verschillend en leverden aanvullende informatie naast de klinische, pathologische, functionele en patiëntgerelateerde ziekte-uitkomsten. Methodologie bij ademanalyse Methodologische en technische overwegingen van ademtesten in de geneeskunde zijn belicht in hoofdstuk 8. Grote studies die uitgevoerd worden in meerdere ziekenhuizen worden gehinderd door de onvergelijkbaarheid tussen verschillende apparaten, wat gecentraliseerde metingen noodzakelijk maakt. Wij hebben onderzocht of een bekend onderscheidend signaal in de adem (astma versus gezond) na adsorptie, opslag en desorptie in speciale buisjes (Tenax- GR buisjes) nog terug te vinden is. Hieruit bleek dat zowel de signalen in de adem gemeten met de elektronische neus als met GC-MS stabiel zijn gedurende een periode van twee weken. Dit komt overeen met de maximale transporttijd tussen verschillende ziekenhuizen binnen grote studies en maakt ons duidelijk dat gecentraliseerde analyse van ademmonsters haalbaar is. Longembolie Ademanalyse is niet alleen bruikbaar bij het identificeren van luchtwegziekten zoals astma en COPD, maar ook in het opsporen van andere (long-) ziekten zoals uitgebreid beschreven is in de literatuur. Hoofdstuk 9 beschrijft een kleine studie naar het detecteren van longembolieën in de adem. Deze studie laat zien dat wanneer de ademtest met de enose wordt gecombineerd met een klinische beslisregel, het percentage van patiënten met een verdenking op een longembolie dat een CT-scan moet ondergaan teruggedrongen kan worden. Dit geldt in het bijzonder voor patiënten zonder andere aandoeningen, waarbij met een zekerheid van 85%
Samenvatting 169 onderscheid gemaakt kon worden tussen patiënten met en zonder longembolie op CT-scan. Bij patiënten die een andere aandoening hadden met een bekend signaal in de adem (astma, longkanker etc.) kon de enose geen onderscheid maken tussen wel of geen longembolie (65%). Een grote en solide training set van pure d.w.z. overigens niet-zieke longemboliepatiënten is nodig om een gouden standaard longembolie-ademafdruk vast te stellen en deze beperking het hoofd te bieden. Conclusies Sinds de ontdekking van elektronische neuzen en de eerste toepassing ervan op uitgeademde lucht is er grote vooruitgang geboekt in het onderscheiden van ziektes door de ademprofielen te vergelijken (hoofdstuk 2). In de eerste stap voor de validatie van elektronische neuzen bij de diagnose van klassiek astma en COPD volgens de STARD richtlijnen werd een uitstekende interne validiteit van 96% nauwkeurigheid behaald (hoofdstuk 3). In de tweede stap voor de validatie van elektronische neuzen, waarin de focus lag op de externe validatie in een nieuwe groep patiënten met klassiek astma en COPD, werd een goede testnauwkeurigheid van 83% behaald (hoofdstuk 4). In de derde stap voor de validatie van elektronische neuzen werd een nieuwe, moeilijk te onderscheiden groep patiënten gemeten bestaande uit patiënten met astma met een gefixeerde luchtwegobstructie en patiënten met COPD. In deze groep werd een testnauwkeurigheid van 88% behaald (hoofdstuk 4). Eén van de belangrijkste kenmerken van astma, variabiliteit in de luchtwegvernauwing en diameter, liet geen directe invloed zien op het ademprofiel zoals gemeten met de elektronische neus (hoofdstuk 5). Aan de andere kant waren de markers van ontsteking in sputum bij COPD sterk geassocieerd met zowel elektronische neus profielen als met individuele vluchtige organische componenten (VOCs) (hoofdstuk 6). Ademprofielen zijn van toegevoegde waarde bij het onderverdelen van de heterogene ziekte COPD in clusters. Deze clusters dragen mogelijk bij aan het verbeteren van zorg voor COPD patiënten en kunnen richting geven aan toekomstig onderzoek (hoofdstuk 7). Voordat grootschalige toepassing van ademanalyse met elektronische neuzen gerealiseerd kan worden, moeten enkele methodologische stappen worden ondernomen. Wij hebben aangetoond dat het enose signaal voor astma stabiel is over de tijd. Dit impliceert dat gecentraliseerde analyse van ademmonsters in multi-center studies mogelijk is (hoofdstuk 8). Ademanalyse met een elektronische neus kan het aantal patiënten dat een CT-scan moet ondergaan bij een verdenking op een longembolie verkleinen, in het bijzonder wanneer de ademtest gecombineerd wordt met een veelgebruikte klinische beslisregel (hoofdstuk 9). Samenvatting