Анализ выдыхаемого воздуха в диагностике хронической сердечной недостаточности co сниженной фракцией выброса левого желудочка

В ряду кардиальных заболеваний выделяют нозологические формы, которые особенно трудно верифицировать при рутинном обследовании пациентов. В частности, диагноз различных форм хронической сердечной недостаточности (ХСН) является итогом комплексного дорогостоящего обследования пациентов. Скрининговое применение лабораторного определения мозгового натрийуретического пептида (МНУП) не всегда доступно. Учитывая неспецифический характер жалоб при ХСН и значительную схожесть клинической картины с другими сердечно-сосудистыми заболеваниями, еще труднее становится выделение группы лиц с наиболее вероятным наличием ХСН среди множества пациентов, предъявляющих жалобы на одышку, снижение переносимости нагрузки, отеки ног.

Известно, что состав выдыхаемого человеком воздуха зависит от метаболизма практически всех систем и органов. При ХСН резко замедляется метаболизм в мышечной ткани, снижается функция почек, печени и легких [1]. В связи с этим предположение о специфическом изменении состава выдыхаемого воздуха у пациентов с ХСН в зависимости от давности и тяжести заболевания представляется обоснованным.

Выдыхаемый воздух представляет собой комплексную матрицу, содержащую не менее 1% летучих органических веществ (ЛОС). На основании анализа спектра ЛОС в выдыхаемом воздухе можно составить представление о состоянии метаболизма. Кроме того, показано, что спектр ЛОС в выдыхаемом воздухе изменяется при ряде заболеваний [2, 3].

Не менее 874 ЛОС можно определить в выдыхаемом воздухе. Около 200 ЛОС достаточно надежно определяются с помощью современной аналитической техники. Не менее 80 ЛОС связаны с курением, и только для нескольких (ацетон, изопрен) из них известны метаболические пути [4].

Выдыхаемый воздух — сложный аналитический объект, включающий неорганические и органические вещества, содержание которых колеблется в широких пределах. Концентрация газов (в том числе в выдыхаемом воздухе) измеряется в ppm (part per million, частица на 1 млн, 10^–6), ppb (part per billion, частица на биллион, 10^–9), ppt (part per trillion, частица на триллион, 10^–12). В настоящее время используют следующие методы анализа [3] — газовая хроматография с масс-спектрометрией, протонная масс-спектрометрия (PTR-MS), протонная масс-спектрометрия с времяпролетным анализатором (PTR-TOF-MS), масс-спектрометрии с выделенными ионными потоками (SIFT-MS) [5], спектрометрия ионной подвижности [2], диодная лазерная спектроскопия поглощения [6—8].

В исследованиях определено лишь несколько веществ в выдыхаемом воздухе, которые, возможно, связаны с патологией сердечно-сосудистой системы. Это пентан, ацетон, монооксид углерода и триметиламиноксид. При этом наибольшее количество работ по выдыхаемому воздуху при ХСН посвящено ацетону. Повышение содержания ацетона в выдохе пациентов с ХСН имеет патофизиологическое обоснование.

Кетоновые тела (ацетон, ацетонуксусная кислота и бета-оксимасляная кислота) являются одним из источников энергии для миокарда: в норме около 7% кислорода, потребляемого левым желудочком, расходуется на окисление кетоновых тел (КТ) [9]. Скорость этого процесса зависит от доступности КТ в крови. Ацетоацетат и β-гидроксибутират метаболизируются сердцем в случаях, когда они синтезируются в печени вследствие повышения доступности жирных кислот (голодание, длительная физическая нагрузка, кетогенная диета, неконтролируемый сахарный диабет 1-го типа, ХСН) [10].

В ряде исследований было отмечено, что при сердечной недостаточности может увеличиваться продукция К.Т. Так, в работе J. Lommi и соавт. [11], включавшей 45 пациентов с ХСН и 14 здоровых добровольцев, уровень кетоновых тел (ацетоацетат и бета-гидроксибутират) был достоверно выше у пациентов с ХСН. Концентрация К.Т. коррелировала с фракцией выброса, давлением в легочной артерии и уровнем норэпинефрина. Считается, что усиление продукции КТ у больных с ХСН вторично симпатической активации. Повышенный уровень норэпинефрина усиливает кетогенез через активацию липолиза в жировой ткани, повышая уровень свободных жирных кислот в крови.

Цель исследования — поиск маркеров, характерных для пациентов с верифицированной ХСН, с помощью анализа выдыхаемого воздуха методом протонной масс-спектрометрии.

Нами было проведено проспективное клиническое исследование, в которое входили пациенты с ХСН и сниженной ФВ ЛЖ согласно классификации, предложенной Обществом специалистов по сердечной недостаточности (2016), госпитализированные в ГКБ им. С.С. Юдина и Университетскую клиническую больницу № 1 Первого МГМУ им. И.М. Сеченова в период с октября 2014 г. по апрель 2016 г.

Критерии включения: возраст старше 18 лет, наличие симптомов и/или физикальных признаков ХСН, ФВ ЛЖ менее 40%.

Критерии исключения: беременность, онкологические заболевания, острые воспалительные или обострение хронических воспалительных заболеваний, бронхиальная астма, острый коронарный синдром (впервые возникшая стенокардия, нестабильная стенокардия, инфаркт миокарда в течение предыдущего месяца), цирроз печени, печеночная недостаточность, дыхательная недостаточность любой степени (SpO₂<90%), анемия средней и тяжелой степени (гемоглобин менее 90 г/л у женщин и 100 г/л у мужчин), хронический алкоголизм, наркотическая зависимость и психические расстройства. Все подходящие по критериям включения и исключения пациенты ознакомились с информацией об исследовании и дали письменное информированное согласие на участие в нем.

Протокол исследования был одобрен локальным этическим комитетом Первого МГМУ им. И.М. Сеченова (Сеченовский Университет) Минздрава России.

Всего были включены 42 пациента с ХСН со сниженной ФВ ЛЖ и 24 пациента с другими сердечно-сосудистыми заболеваниями в контрольную группу. У пациентов проводился забор выдыхаемого воздуха в мешки Tedlar емкостью 1 л. Пациенты были проинструктированы воздерживаться от принятия пищи, питья, курения и приема препаратов за 12 ч до процедуры, чтобы уменьшить влияние этих факторов на концентрацию ЛОС в выдыхаемом воздухе. Непосредственно перед забором воздуха пациентам было предложено тщательно прополоскать рот водой. Далее в течение 1 сут анализ выдыхаемого воздуха выполняли с помощью протонного масс-спектрометра (Сompact PTR-MS, «Ionicon», Австрия).

Учитывая пилотный характер работы, была выбрана методика анализа не отдельных каналов, а спектра всех значений m/z (отношения массы к заряду) подряд в определенном диапазоне. Диапазон исследуемого спектра значений m/z составлял 21—141, исключая каналы 21, 30, 32 и 37-й, которые соответствуют концентрациям ионов, генерируемых в дрейфовой камере.

Статистический анализ результатов проводился с использованием программного обеспечения SPSS Statistics 23.0. Для оценки нормальности распределения данных был проведен тест Колмогорова—Смирнова. Для переменных с нормальным распределением данные представлены как среднее и стандартное отклонение, для переменных с непараметрическим распределением — в виде медианы с указанием интерквартильного интервала (значения 25-го и 75-го процентилей указаны в скобках). Основные характеристики групп сравнивались с использованием критерия χ² и точного критерия Фишера для порядковых переменных, U-критерия Манна—Уитни и критерия Краскела—Уоллиса для независимых выборок для непрерывных переменных с распределением, отличным от нормального. Корреляционные связи устанавливали в расчете коэффициента корреляции по Пирсону. Характеристические ROC-кривые построены в статистической программе SPSS. Различия считались достоверными при p<0,05.

Демографические и клинические характеристики пациентов с ХСН и группы контроля представлены в табл. 1.

Большая часть больных в группе ХСН была мужского пола (90,5% против 59,3%). Средний возраст и основные сопутствующие заболевания достоверно не различались между группами, кроме перенесенного инфаркта миокарда, чаще встречавшегося в группе пациентов с ХСН (p=0,021). Выявлены достоверные различия между группами в уровне общего холестерина и ЛПНП, билирубина и N-концевого МНУП. У пациентов с ХСН ФВ ЛЖ была достоверно ниже по сравнению с группой контроля (44% против 61%; р<0,0001). Также достоверные различия между группами касались применения различных групп лекарственных средств (β-блокаторы, дигоксин, петлевые диуретики, антагонисты минералокортикоидных рецепторов, антикоагулянты и антиагреганты достоверно чаще использовались среди пациентов с ХСН).

Всем пациентам выполнен анализ выдыхаемого воздуха на протонном масс-спектрометре. Усредненные спектрограммы выдыхаемого воздуха пациентов с ХСН и группы контроля представлены на рис. 1.

После анализа данных выявлены различия по 36 параметрам выдыхаемого воздуха между пациентами с ХСН и группой контроля (табл. 2).

Как видно из табл. 2, большая часть веществ определялась в следовых концентрациях (23 вещества с концентрацией менее 1·10^–9). Все 5 веществ, выявлявшиеся в значительной концентрации (более 100·10^–9), различались между группами с высокой достоверностью.

Учитывая то, что только для ацетона известен механизм образования при ХСН, дальнейший анализ проводился только для этого вещества. При анализе корреляционных связей выявлены достоверные корреляции умеренной силы выдыхаемого ацетона с NT-концевым мозговым натрийуретическим пропептидом, мочевиной, мочевой кислотой и общим билирубином в крови и отдельными эхокардиографическими показателями (ФВ, СДЛА и размер левого предсердия) (табл. 3).

Также было проанализировано содержание ацетона у пациентов с различным ФК ХСН. Выявлены достоверные различия в содержании ацетона в выдыхаемом воздухе между пациентами 2 и 4 ФК по NYHA (рис. 2).

Для оценки диагностической значимости ацетона в выдыхаемом воздухе как маркера ХСН проведен ROC-анализ. Получено высокое значение AUC (площадь под ROC-кривой) — 0,811 (95% ДИ 0,707—0,915; р<0,0001), что соответствует очень хорошему качеству диагностического теста. Аналогичный показатель для NТ-концевого мозгового натрийуретического пропептида составляет 0,894 (95% ДИ 0,797—0,99; р=0,001).

Учитывая известную взаимосвязь выдыхаемого ацетона с декомпенсацией сахарного диабета, проанализирована корреляционная связь между ацетоном в выдыхаемом воздухе и глюкозой плазмы крови (рис. 3),

Поиск новых скрининговых маркеров ХСН представляет несомненную практическую значимость для современного здравоохранения. На настоящий момент диагностический алгоритм для ХСН со сниженной ФВ ЛЖ включает физикальный осмотр, а также комплекс инструментальных и лабораторных тестов. Помимо временных затрат, для выполнения этого алгоритма необходимо наличие диагностической аппаратуры и соответствующих специалистов.

В ряде случаев (амбулаторное звено, приемное отделение стационара) для быстрого принятия решения (дифференциальный диагноз одышки) требуется скрининговый метод, позволяющий быстро исключить ХСН как причину одышки. В настоящее время таким методом является определение МНУП или его NT-концевого предшественника в крови. Метод имеет ряд ограничений. Во-первых, это инвазивная методика (требуется забор крови), во-вторых, не каждое учреждение имеет возможность выполнения экспресс-теста, и, в-третьих, на пороговые значения МНУП влияют возраст, функция почек, индекс массы тела, наличие фибрилляции предсердий [12].

Анализ выдыхаемого воздуха имеет ряд преимуществ: процедура неинвазивна (требуется подышать в маску воздухозаборника), анализ пробы воздуха занимает около 20 мин, при разработке программного обеспечения возможно получение автоматического анализа результатов исследования.

В нескольких исследованиях последних лет было показано, что ацетон выдыхаемого воздуха является диагностическим маркером ХСН [13, 14]. В одном исследовании показано также влияние этого маркера на прогноз заболевания [15].

Учитывая то, что продукция кетоновых тел печенью является неспецифической реакцией на избыток жирных кислот, можно предположить, что повышение содержания ацетона в выдыхаемом воздухе может возникнуть еще при ряде состояний, в первую очередь при декомпенсации сахарного диабета. В настоящее время есть всего несколько публикаций (включая нашу работу) об уровне ацетона у больных с ХСН и сахарным диабетом. Все подобные работы продемонстрировали отсутствие влияния сахарного диабета на уровень ацетона у больных с ХСН. Общим ограничением этих работ является отсутствие среди участников исследования пациентов с декомпенсацией С.Д. Тем не менее корреляции между уровнем глюкозы, гликозилированного гемоглобина и ацетоном в выдыхаемом воздухе обнаружено не было.

Следует обратить внимание на то, что повышение ацетона в выдыхаемом воздухе у пациентов с ХСН может быть обусловлено не только усилением продукции кетоновых тел печенью в ответ на активацию симпатической нервной системы (и соответственно активацию липолиза в жировой ткани). Не последнюю роль в увеличении концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе может играть повышение проницаемости легочных капилляров при ХСН. Это косвенно подтверждает различие в концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе у пациентов с различными функциональными классами сердечной недостаточности. Так, содержание ацетона в выдыхаемом воздухе больного с IV ФК ХСН достоверно выше, чем у пациента с II ФК. В литературе также есть указания на подобную взаимосвязь. Так, в работе T. Yokokawa и соавт. [16] показано, что уровень ацетона в выдыхаемом воздухе у пациентов с декомпенсацией ХСН достоверно выше, чем у стабильных больных. В другой работе [17] этих же авторов выявлена достоверная корреляция между уровнем выдыхаемого ацетона и давлением заклинивания легочной артерии.

Также необходимо отметить, что в нашей работе выдох пациентов с ХСН отличался от выдоха пациентов из контрольной группы по 36 параметрам. Таким образом, вероятно, речь идет не об анализе вероятности наличия болезни по одному параметру (ацетон), а о создании матрицы (паттерна) изменений, характерных для данной категории больных.

В заключение, анализ выдыхаемого воздуха является новым перспективным методом исследования у пациентов с ХСН, позволяющим неинвазивно, в режиме реального времени оценить вероятность наличия заболевания у больного с одышкой.

К ограничениям исследования необходимо отнести небольшую выборку пациентов, достоверно большее количество мужчин в группе ХСН по сравнению с контролем, что, хотя и является характерной особенностью подобных исследований (ХСН со сниженной ФВ ЛЖ), но затрудняет оценку влияния пола на состав выдыхаемого воздуха. Также следует отметить, что в контрольную группу входили не здоровые добровольцы, а пациенты с другими сердечно-сосудистыми заболеваниями (но не с ХСН). Необходимо отметить, что данное ограничение является общим для всех подобных работ.

До широкого внедрения метода в практику необходимы дальнейшие исследования, направленные на оценку выявленных маркеров ХСН в выдыхаемом воздухе в зависимости от типа ХСН (с сохранной и промежуточной ФВ ЛЖ), стадии заболевания, динамики маркеров в течение болезни и возможность раннего выявления застоя у пациентов с ХСН.

Публикация выполнена в рамках государственного задания ФГУ ФНЦ «НИИСИ» РАН (проведение фундаментальных научных исследований) по теме № 0065−2019−0017 «Применение метода протонной масс-спектрометрии выдыхаемого воздуха в диагностике сердечно-сосудистых заболеваний» (№АААА-А19−119011590099−5).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.

Сведения об авторах

Быкова А.А. — https://orcid.org/0000-0002-2035-2340; e-mail: aabykowa@yandex.ru

Малиновская Л.К. — https://orcid.org/0000-0003-3882-6564

Трушина О.В. — https://orcid.org/0000-0002-9101-180X

Чомахидзе П.Ш. — https://orcid.org/0000-0002-2035-2340

Шалтаева Ю.Р. — https://orcid.org/0000-0002-9856-6031

Прошляков А.Ю. — https://orcid.org/0000-0003-3938-3822

Сердитенко Е.В. — https://orcid.org/0000-0002-4275-1035

Сыркин А.Л. — https://orcid.org/0000-0002-6452-1222

Бетелин В.Б. — https://orcid.org/0000-0001-6646-2660

Копылов Ф.Ю. — https://orcid.org/0000-0001-5124-6383

Автор, ответственный за переписку: Быкова А.А. — e-mail: aabykowa@yandex.ru

Быкова А.А., Малиновская Л.К., Трушина О.В., Чомахидзе П.Ш., Шалтаева Ю.Р., Прошляков А.Ю., Сердитенко Е.В., Сыркин А.Л., Бетелин В.Б., Копылов Ф.Ю. Анализ выдыхаемого воздуха в диагностике хронической сердечной недостаточности co сниженной фракцией выброса левого желудочка. Кардиология и сердечно-сосудистая хирургия. 2019;12(6):568-576. https://doi.org/10.17116/kardio201912061