2–3/2019 Moodi 13
analytiikassa ja näin osoitettu, että keuhkosyöpä
voidaan tunnistaa hengitysilmasta
(Westhoff et al. 2009).
Infektioiden primaaridiagnostiikka
Bakteereiden haju pohjautuu niille ominaisiin
VOC-profiileihin. Kun bakteeri aiheuttaa
kliinisesti merkittävän infektion, siihen
liittyy usein paitsi voimakas elimistön tulehdusreaktio,
myös kudostuhoa. Lisäksi potilaan
oheissairaudet, esimerkiksi diabetes vaikuttavat
potilaan hajuprofiiliin. Käytännössä näiden
kaikkien tekijöiden sekoitus muodostaa
infektioon liittyvän hajuprofiilin. Paitsi että
tämä on haaste hajupohjaisessa tunnistamisessa,
se tarjoaa myös merkittävän edun verrattuna
esim. PCR-pohjaisiin menetelmiin –
IMS mittaa potilaan oheissairauksiin ja infektion
merkittävyyteen liittyviä tekijöitä samalla
kertaa.
Oma ryhmämme on osoittanut, että
IMS-teknologiaa käyttäen tavallisimmat
virtsatieinfektioiden aiheuttajat (Roine et
al. 2014) ja haavainfektiobakteerit (Saviauk
et al. 2018) voidaan tunnistaa viljelyolosuhteissa.
Erityisen kiinnostavaa on, että esim.
MRSA:lla on erilainen hajuprofiili kuin ei-resistentillä
stafylokokilla (Saviauk et al. 2018).
Viimeisimmissä tutkimuksissa osoitimme
DMS-sensoria käyttäen, että rinosinuiitin
aiheuttajat voidaan tunnistaa hajuprofiilin
perusteella viljelyolosuhteissa (Virtanen et al.
2018). FAIMS-teknologialla on myös kyetty
tunnistamaan C. difficile ulostenäytteistä
(Bomers et al. 2015). Lisäksi näyttää siltä, että
ulosteen VOC-profiilin avulla voitaisiin edistää
artyvän suolen oireyhtymän diagnostiikkaa
(Sagar et al. 2015).
3. Tulevaisuus
Tällä hetkellä saatavilla olevat IMS/FAIMS/
DMS-laitteeet hyödyntävät ionisaatiossa
radioaktiivisia säteilylähteitä, tyypillisesti
Ni-63, AM-241 tai H-3-isotooppeja.
Radioaktiivinen isotooppi vaikeuttaa laitteiden
käyttöä siten, että niiden hallinta edellyttää
asianmukaisesti koulutettua säteilyturvavastaavaa
ja lisäksi laitteiden sijainti tulee
raportoida vuosittain kansalliselle säteilyturvallisuusviranomaiselle
mistä aiheutuu kuluja.
Lisäksi laitteiden liikutteleminen maan rajojen
yli vaatii raportointia säteilyturvaviranomaisille.
Poislukien kädessäpidettävät taistelukaasuanalysaattorit,
nykyiset DMS/
FAIMS-laitteet vaativat lisäksi ulkoisen paineilmalähteen,
jonka tulee tuottaa puhdasta ja
kuivattua paineilmaa (Clean Dry Air, CDA)
sekä erillisen tulosten analysointisovelluksen.
Paineilman laadussa tapahtuvat muutokset
(puhtaus, kosteus, lämpötila, paine) vaikuttavat
merkittävästi sensorin toimintaan ja
aiheuttavat merkittävän vaihtelun myös tuloksissa
ja lisäksi hyvälaatuisen paineilman tuottaminen
on kustannustekijä. Kehitteillä olevat
laitteet toimivat ilman radioaktiivista isotooppia,
kehittävät tarvitsemansa standardoidun
puhtaan ilman ja kykenevät säätämään toimintaansa
mahdollisten poikkeamien mukaan
sekä sisältävät sisäänrakennetun tulosten analysointisovelluksen.
Aivan uudessa teknologiassa,
ns. hyppelehtivässä DMS:ssä eli ”hopping
mode DMS”-teknologiassa näytteitä
erottelevan sähkökentän ominaisuuksia voidaan
säätää nopeasti mittauspistekohtaisesti
parhaiden mittausparametrien käyttämiseksi.
Tämä vähentää tarvittavien mittauspisteiden
määrää, jolloin näyte on mahdollista tutkia
erittäin nopeasti ja siten nopeuttaa myös laitteen
puhdistumista seuraavaa analyysiä varten.
Tulevaisuuden laitteet ovat kokonaisuudessaan
nykyisiä suorituskykyisempiä ja ne mahdollistavat
jopa luokittelualgoritmin kehittämisen
ja algoritmien opettamisen jokapäiväisen
työn ohessa. Tämän myötä onkin kehittymässä
aivan uusi omiikka, olfaktomiikka.
VIITTEET
Arasaradnam RP, McFarlane MJ, Ryan-Fisher C, Westenbrink
E, Hodges P, Thomas MG, Chambers S, O'Connell N, Bailey
C, Harmston C, Nwokolo CU, Bardhan KD, Covington JA. Detection
of colorectal cancer (CRC) by urinary volatile organic
compound analysis. PLoS One 9(9):e108750, 2014.
Bodilsen A, Bjerre K, Offersen B V, ym. The influence of
repeat surgery and residual disease on recurrence after
breast-conserving surgery: a Danish Breast Cancer Cooperative
Group study. Ann Surg Oncol –22(Suppl 3):S476-85, 2015.
Bomers MK, Menke FP, Savage RS, Vandenbroucke- Grauls
CMJE, van Agtmael MA, Covington JA, ym. Rapid, Accurate,
and On-Site Detection of C. difficile in Stool Samples. Am J
Gastroenterol 110:588–94, 2015.
Chen S, Wang Y, Choi S. Applications and Technology of Electronic
Nose for Clinical Diagnosis. Open J Appl Biosens 2:39–
50, 2013.
Haapala I, Karjalainen M, Kontunen A, Vehkaoja A, Nordfors
K, Haapasalo H, Haapasalo J, Oksala N, Roine A. Identifying
Brain Tumors by Differential Mobility Spectrometry Analysis
of Diathermy Smoke. J Neurosurgery, painossa.
Jeevan R, Cromwell DA, Trivella M, ym. Reoperation rates after
breast conserving surgery for breast cancer among women
in England: retrospective study of hospital episode statistics.
BMJ 345:e4505, 2012.
Jendrian S, Steffens K, Schmalfeldt B, ym. Quality of life
in patients with recurrent breast cancer after second
breast-conserving therapy in comparison with mastectomy:
the German experience. Breast Cancer Res Treat 163:517–26,
2017.
Johnson P V., Beegle LW, Kim HI, Eiceman GA, Kanik I. Ion
mobility spectrometry in space exploration. Int J Mass Spectrom
262:1–15, 2007.
Kolakowski BM, Mester Z. Review of applications of highfield
asymmetric waveform ion mobility spectrometry
(FAIMS) and differential mobility spectrometry (DMS). Analyst
132:842–64, 2007.
Kontunen A, Karjalainen M, Lekkala J, Roine A, Oksala N. Tissue
Identification in a Porcine Model by Differential Ion Mobility
Spectrometry Analysis of Surgical Smoke. Ann Biomed
Eng. 46(8):1091-1100, 2018.
Karjalainen M, Kontunen A, Saari S, Rönkkö T, Lekkala J, Roine
A, Oksala N. The characterization of surgical smoke from
various tissues and its implications for occupational safety.
PLoS One. 13(4):e0195274, 2018.
Mozdiak E, Wicaksono AN, Covington JA, Arasaradnam RP.
Colorectal cancer screening using urinary volatile organic
compound (VOC) detection: early results from a single-centre
bowel screening population (UK BCSP). Tech Coloproctol
23(4):343-351, 2019.
Niemi RJ, Roine AN, Eräviita E, Kumpulainen PS, Mäenpää
JU, Oksala N. FAIMS analysis of urine gaseous headspace
is capable of differentiating ovarian cancer. Gynecol Oncol
151(3):519-524, 2018.
Nissinen SI, Roine A, Hokkinen L, Karjalainen M, Venäläinen
M, Helminen H, Niemi R, Lehtimäki T, Rantanen T, Oksala
N. Detection of Pancreatic Cancer by Urine Volatile Organic
Compound Analysis. Anticancer Res. 39(1):73-79, 2019.
Roine A, Tolvanen M, Sipiläinen M, Kumpulainen P, Helenius
MA, Lehtimäki T, Vepsäläinen J, Keinänen TA, Häkkinen MR,
Koskimäki J, Veskimäe E, Tuokko A, Visakorpi T, Tammela TL,
Sioris T, Paavonen T, Lekkala J, Helle H, Oksala NK. Detection
of smell print differences between nonmalignant and malignant
prostate cells with an electronic nose. Future Oncol.
8(9):1157-65, 2012.
Roine A, Veskimäe E, Tuokko A, Kumpulainen P, Koskimäki
J, Keinänen TA, Häkkinen MR, Vepsäläinen J, Paavonen T,
Lekkala J, Lehtimäki T, Tammela TL, Oksala NK. Detection
of prostate cancer by an electronic nose: a proof of principle
study. J Urol. 192(1):230-4, 2014.
Roine A, Saviauk T, Kumpulainen P, Karjalainen M, Tuokko A,
Aittoniemi J, Vuento R, Lekkala J, Lehtimäki T, Tammela TL,
Oksala NK. Rapid and accurate detection of urinary pathogens
by mobile IMS-based electronic nose: a proof-of-principle
study. PLoS One. 9(12):e114279, 2014.
Sagar NM, Cree IA, Covington JA, Arasaradnam RP. The Interplay
of the Gut Microbiome, Bile Acids, and Volatile Organic
Compounds. Gastroenterol Res Pract 2015:1–6, 2015.
Saviauk T, Kiiski JP, Nieminen MK, Tamminen NN, Roine AN,
Kumpulainen PS, Hokkinen LJ, Karjalainen MT, Vuento RE,
Aittoniemi JJ, Lehtimäki TJ, Oksala NK. Electronic Nose in the
Detection of Wound Infection Bacteria from Bacterial Cultures:
A Proof-of-Principle Study. Eur Surg Res. 59(1-2):1-11,
2018.
Sutinen M, Kontunen A, Karjalainen M, Kiiski J, Hannus J, Tolonen
T, Roine A, Oksala N. Identification of breast tumors
from diathermy smoke by differential ion mobility spectrometry.
Eur J Surg Oncol. 45(2):141-146, 2019.
Virtanen J, Hokkinen L, Karjalainen M, Kontunen A, Vuento
R, Numminen J, Rautiainen M, Oksala N, Roine A, Kivekäs I.
In vitro detection of common rhinosinusitis bacteria by the
eNose utilising differential mobility spectrometry. Eur Arch
Otorhinolaryngol 275(9):2273-2279, 2018.
Westhoff M, Litterst P, Freitag L, Urfer W, Bader S, Baumbach
J-I. Ion mobility spectrometry for the detection of volatile
organic compounds in exhaled breath of patients with
lung cancer: results of a pilot study. Thorax 64:744–8, 2009.
Kuva 1. Diff erentiaali-ioniliikkuvuusspektrometrian toimintaperiaate. Näyte
johdetaan mittauskammioon jota edeltäen se ionisoidaan. Tämän jälkeen näyte
altistetaan voimakkaalle vaihtelevalle sähkökentälle jonka aaltomuotoa voidaan
muuttaa nopeasti. Lopuksi näyte kulkeutuu toiseen sähkökenttään, jonka suuruutta
voidaan myös muuttaa nopeasti. Tämän vaikutuksesta osa mitattavista
aineista pääsee läpi ja osa ei.