Physiologische Einflussfaktoren auf die Variabilität flüchtiger organischer Substanzen im caprinen TiermodellPhysiological influencing factors on the variability of volatile organic compounds in a caprine animal model

Fischer, Sina GND

Einleitung und Aufgabenstellung Die Analyse flüchtiger organischer Substanzen (volatile organic compounds, VOCs) zu diagnostischen Zwecken ist ein vielversprechender Ansatz. VOCs entstehen während biochemischer Prozesse im Körper und können über den Blutkreislauf in biologische Substrate (Atemgas, Kot, Urin) gelangen. Bislang wurden die Auswirkungen physiologischer Prozesse auf die biologische Variabilität der aus dem Organismus freigesetzten VOCs nur unzureichend erfasst. Bei Nichtbeachtung können sie als Einflussgrößen die Definition krankheits-assoziierter Biomarker erschweren. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von Wachstum, Ernährung und Futteraufnahme auf die Freisetzung potentieller volatiler Biomarker in einem caprinen Großtiermodell zu charakterisieren. Die durchgeführten Studien sind Teil eines Projektes mit dem langfristigen Ziel der Identifizierung volatiler Biomarker für die Infektion mit Mycobacterium avium subspecies paratuberculosis. Tiere, Material und Methoden Die Untersuchungen fanden im Rahmen eines etablierten und standardisierten Großtiermodells mit klinisch gesunden Ziegen statt. In zwei Studien wurden die Einflüsse von Wachstum und Ernährung innerhalb des ersten Lebensjahres der Tiere (STUDIE I) und der allmorgendlichen Kraftfutteraufnahme (STUDIE II) überprüft. VOCs wurden wiederholt (i) im Gasraum (Headspace) über Kotproben, (ii) im exhalierten Atemgas sowie zu Vergleichszwecken (iii) in der umgebenden Raumluft analysiert. Eine automatisierte, CO2-gesteuerte Probenahmetechnik gewährleistete die standardisierte und kontrollierte Sammlung von Atemgasproben bei den spontan atmenden Ziegen. VOCs wurden mittels adaptierter Mikroextraktionstechniken (Needle Trap Mikroextraktion; NTME, Festphasenmikroextraktion; SPME) und sensitiver Analysemethoden (Gaschromatographie-Massenspektrometrie; GC-MS) identifiziert und quantifiziert. Parallel wurden im peripheren Blut die Konzentrationen von Glucose, Gesamtprotein und Albumin bestimmt (STUDIE I). Ergebnisse STUDIE I In dem standardisierten Großtiermodell traten im Verlauf des ersten Lebensjahres der Ziegen gut charakterisierte Veränderungen bezüglich der körperlichen und metabolischen Entwicklung auf. Sowohl die Konzentrationen der VOCs im Atemgas der Ziegen (n=11; Alkohole, Aldehyde, Ketone und Kohlenwasserstoffe) als auch die im Headspace über deren Kotproben gemessenen VOCs (n=18; Ketone, Kohlenwasserstoffe, Ester, Schwefelverbindungen und Furane) veränderten sich signifikant während der Studiendauer von einem Jahr. Die bedeutendsten Veränderungen traten im zeitlichen Zusammenhang mit der altersgerechten Anpassung der Fütterung und der Entwicklung der Ziegen von Milchlämmern zu rein pflanzlich ernährten Wiederkäuern auf. STUDIE II Sechs VOCs aus den Gruppen der Kohlenwasserstoffe und Alkohole wiesen signifikante Konzentrationsänderungen im Atemgas beim Vergleich der Probenahmen vor und nach der morgendlichen Kraftfutteraufnahme auf. Die Konzentrationen der VOCs aus der Gruppe der gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffe (n=5; Pentan, 3-Methylpentan, Hexan, Isopren und cis-1, 3-Pentadien) zeigten ein charakteristisches Muster. Postprandial kam es bei diesen VOCs zunächst zu einem signifikanten Konzentrationsanstieg, gefolgt von einem graduellen Konzentrationsabfall. Schlussfolgerungen Die beiden STUDIEN I und II leisten einen wertvollen Beitrag zu grundlegenden Kenntnissen des Einflusses physiologischer Prozesse auf die Freisetzung von VOCs im caprinen Tiermodell. Bedeutende Veränderungen in den VOC-Profilen von Atemgas und Kotproben konnten mit alters- und ernährungsbedingten metabolischen Veränderungen im Verlauf des ersten Lebensjahres von Ziegen assoziiert werden. Charakteristische Veränderungen im VOC-Profil des Atemgases traten mit direktem Bezug zur morgendlichen Kraftfutteraufnahme und nachfolgend ablaufenden Verdauungsprozessen auf. Die körperliche und metabolische Entwicklung im ersten Lebensjahr, die altersgemäße Anpassung des Fütterungsregimes sowie die infolge einer Futteraufnahme ablaufenden Verdauungsprozesse müssen als bedeutende Einflussfaktoren und potentielle Störgrößen bei der Planung und Auswertung von VOC-Analysen Beachtung finden. Die Ergebnisse betonen die Wichtigkeit von grundlegenden Kenntnissen über physiologische Einflussfaktoren, bevor zuverlässige volatile Biomarker zu diagnostischen Zwecken definiert werden können.

Introduction and Objective The analysis of volatile organic compounds (VOCs) is a promising diagnostic method. VOCs are generated during biochemical processes in the body and can get into various biological specimen (breath gas, faeces, urine) via the blood stream. The effects of physiological processes on the biological variability of VOCs emitted from the organism have so far remained elusive. If neglected, physiological processes can act as confounding factors which can impede the definition of disease-associated biomarkers. The objective of this investigation was to characterize the influence of growth, feeding and food intake on the emission of potential volatile biomarker in a caprine animal model. The studies conducted are part of an ongoing project with the long-term aim to identify volatile biomarker for the infection with Mycobacterium avium subspecies paratuberculosis. Animals, material and methods The investigations were conducted in an established and standardized animal model with clinically healthy goats. In two studies the influences of growth and nutrition within the first year of life of the animals (STUDY I) and of the intake of concentrated feed in the morning (STUDY II) were examined. VOCs were repeatedly analyzed in (i) the gas space (headspace) above faeces, (ii) in the exhaled breath gas and (iii) in the ambient room air for the purpose of comparison. An automated, CO2-triggered sampling technique ensured a standardized and controlled collection of breath gas samples in spontaneously breathing goats. VOCs were identified and quantified by means of adapted microextraction techniques (needle trap microextraction; NTME, solid phase microextraction; SPME) and sensitive analytical methods (gas chromatography-mass spectrometry; GC-MS). In parallel, the concentrations of glucose, total protein and albumin in the peripheral blood were determined (STUDY I). Results Study I Well characterized changes occurred in the standardized animal model with respect to somatic and metabolic development within the first year of the goats’ lives. Both the concentrations of VOCs in the breath gas (n=11; alcohols, aldehydes, ketones and hydrocarbons) and in the headspace above faecal samples (n=18; ketones, hydrocarbons, esters, sulfur containing compounds and furans) of the goats changed significantly throughout the duration of the study of one year. The most significant changes coincided with the age-related adaptation of the feeding and the development of the goats from milk suckling goat kids to ruminating goats fed exclusively with plant products. STUDY II Six VOCs belonging to the groups of hydrocarbons and alcohols showed significant differences in their concentrations in breath gas when comparing the collections before and after the food intake of concentrated feed in the morning. Concentrations of VOCs belonging to the group of saturated and unsaturated hydrocarbons (n=5; pentane, 3-methylpentane, hexane, isoprene and cis-1, 3-pentadiene) demonstrated a characteristic pattern. Postprandial, there was a significant increase in the concentrations of these VOCs, followed by a gradual decrease. Conclusions Both STUDIES I and II provide a valuable contribution to the fundamental knowledge of the influence of physiological processes on the emission of VOCs in a caprine animal model. Significant changes in the VOC-profiles of breath gas and faecal samples can be associated with age- and nutrition-related metabolic changes within the first year of the goats’ life. Characteristic changes in the VOC-profiles of breath gas samples occurred directly related to the food intake of concentrated feed in the morning and subsequent digestion processes. The somatic and metabolic development within the first year of life, the age-related adaptation of the feeding regime and digestion processes due to food intake, have to be considered as significant influencing factors and potential disturbance variables for the design and interpretation of VOC-analyses. Results emphasize the importance of a profound knowledge about physiological influencing factors, before reliable volatile biomarker can be defined for diagnostic purposes.

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Fischer, Sina: Physiologische Einflussfaktoren auf die Variabilität flüchtiger organischer Substanzen im caprinen TiermodellPhysiological influencing factors on the variability of volatile organic compounds in a caprine animal model. 2018.

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