Animal science meets agricultural practice: Preliminary results of an innovative technical approach for exhaled breath analysis in cattle under field conditions

Küntzel, Anne; Oertel, Peter; Trefz, Phillip; Miekisch, Wolfram; Schubert, Jochen K.; Köhler, Heike GND; Reinhold, Petra GND

In human and veterinary medicine, the search for exhaled volatiles as potential markers for disease detection has gained increasing attention because exhaled breath analysis bears the advantages of being continuous, non-invasive and reveals instantly available results. The aim of this study was to introduce a technical set-up for breath analysis in bovines. The technical set-up allows (i) CO2-controlled sampling and preconcentration of alveolar gas and (ii) direct breath gas analysis via proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry (PTR-ToF-MS) in parallel. While alveolar gas sampling enables the analysis by gas chromatography-mass spectrometry for unequivocal substance identification, PTR-ToF-MS ensures real-time identification of confounding signals within one measurement. Applicability of the system to conscious cattle and reliability of the signals obtained under field conditions were tested at eight dairy farms. This first testing phase in veterinary practice confirmed that the set-up was well tolerated by each of the cows and that reliable measured values (i.e., raw data) were gained at different respiratory rates. Inspiration could be clearly distinguished from expiration, thus providing the basis for excluding ambient air contamination. Consecutive measurements under standardised conditions in two bovines aged 5–6 months revealed effects of time of day, food intake and handling that need to be evaluated in-depth in future studies with larger groups of animals. As result of these proof-of-concept trials, the introduced technical set-up can be recommended for future studies evaluating exhaled markers in cattle. Breath gas analysis offers a new research area in veterinary medicine and is one step forward towards refining large animal studies, even under field conditions.

Flüchtige organische Substanzen im Atemgas gelten als potenzielle Biomarker für Erkrankungen. Die Vorteile der Atemgasanalytik begründen sich in der nichtinvasiven und kontinuierlichen Messung und der direkten Verfügbarkeit der Messergebnisse vor Ort. Es sollte eine technische Lösung gefunden werden, um Atemgasanalytik bei Rindern auch unter Feldbedingungen durchführen zu können. Hierfür wurden (i) die CO2-gesteuerte Probennahme und Aufkonzentrierung des Alveolargases für Offline-Analysen und (ii) die atemzugaufgelöste Echtzeitmessung mittels Proton Transfer Reaction – Time of Flight – Mass Spectrometry parallelgeschaltet. Die aufkonzentrierte alveoläre Atemgasprobe wurde anschließend mittels Gaschromatographie – Massenspektrometrie analysiert, um eine eindeutige Identifikation der Substanzen sicherzustellen. In acht verschiedenen Milchviehherden wurden die Anwendbarkeit des von uns etablierten Mess-Sys­tems an wachen adulten Rindern und die Zuverlässigkeit der unter Feldbedingungen gewonnenen Messergebnisse getestet. Die in den technischen Aufbau integrierte Maske wurde von allen 83 Tieren gut toleriert. Unabhängig von der Atmungsfrequenz der Tiere konnten Inspiration und Exspiration sicher voneinander abgegrenzt werden, was zugleich die Eliminierung von Störeinflüssen aus der Umgebungsluft ermöglichte. Wiederholte Verlaufsmessungen an zwei Rindern im Alter von fünf bis sechs Monaten machten exemplarisch deutlich, dass u. a. Futteraufnahme, Tageszeit und Handling der Tiere bzw. Gewöhnungseffekte (Training) einen Einfluss auf die Mess­ergebnisse haben. Die Ergebnisse dieses Pilotprojektes zeigen, dass der gewählte technische Aufbau in zukünftigen Studien genutzt werden kann, um flüchtige organische Substanzen als potenzielle Biomarker beim Rind zu detektieren. Nach entsprechender Evaluierung der Methodik kann die nichtinvasive Atemgasanalytik zum ‚Refinement‘ experimenteller Studien an Großtieren beitragen.

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Küntzel, Anne / Oertel, Peter / Trefz, Phillip / et al: Animal science meets agricultural practice: Preliminary results of an innovative technical approach for exhaled breath analysis in cattle under field conditions. 2018.

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