Аннотация
В статье рассмотрены возможности использования газовой хроматографии–масс-спектрометрии (ГХ–МС) для анализа летучих органических соединений (ЛОС) в выдыхаемом воздухе с целью диагностики и мониторинга заболеваний верхних дыхательных путей (ВДП). Приведены принципы метода ГХ–МС и особенности его применения для дыхательной метаболомики, включая пробоподготовку, сбор и концентрирование ЛОС. Рассмотрены перспективы раннего выявления вирусных и бактериальных инфекций (включая COVID-19 и стрептококковую ангину), а также возможности дифференциации этиологии ОРЗ и мониторинга хронических воспалительных процессов и микробиоты ВДП. Обсуждены сравнительные характеристики ГХ–МС с ионной мобильностью и электронными носами, а также ключевые факторы вариабельности дыхательного метаболома и подходы к их контролю. Отмечается, что ГХ–МС остаётся референтным методом для выявления и валидации дыхательных биомаркеров, способствуя развитию неинвазивной диагностики и персонализированного подхода в лечении заболеваний ВДП.
Ключевые слова: газовая хроматография–масс-спектрометрия, летучие органические соединения, выдыхаемый воздух, заболевания верхних дыхательных путей, дыхательная метаболомика, диагностика, биомаркеры, COVID-19, стрептококковая инфекция, мониторинг терапии
Annotation
The article considers the possibilities of using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) to analyze volatile organic compounds (VOCs) in exhaled air for the purpose of diagnostics and monitoring of upper respiratory tract diseases (URTD). The principles of GC-MS method and peculiarities of its application for respiratory metabolomics, including sample preparation, collection and concentration of VOCs are presented. The prospects of early detection of viral and bacterial infections (including COVID-19 and streptococcal sore throat), as well as the possibilities of differentiating the etiology of acute respiratory infections and monitoring chronic inflammatory processes and microbiota of the respiratory tract are considered. Comparative characteristics of GC-MS with ion mobility and electron nosodes are discussed, as well as key factors of respiratory metabolome variability and approaches to their control. It is noted that GC-MS remains a reference method for the detection and validation of respiratory biomarkers, contributing to the development of noninvasive diagnosis and personalized approach in the management of respiratory diseases.
Key words: gas chromatography-mass spectrometry, volatile organic compounds, exhaled air, upper respiratory tract diseases, respiratory metabolomics, diagnosis, biomarkers, COVID-19, streptococcal infection, therapy monitoring
Список литературы
ЛИТЕРАТУРА (п.п. 1-21 см.REFERENCES)
22.Федоров Д.С., Калюжин О.В., Афанасьев С.С., Затевалов А.М., Жиленкова О.Г. Скрининговая диагностика рака кишечника по результатам метаэкспосомного исследования. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2024; 29 (1): 58-64.
23. Чистякова О.М., Червинец В.М., Червинец Ю.В., Гребенщикова Л.Ю., Радьков О.В. Газовый спектр сигнальных молекул, выделяемых вагинальными стафилококками у женщин при досрочном преждевременном разрыве плодных оболочек и маловодии. Клиническая лабораторная диагностика. 2024; 69 (6): 294-300.
24. Затевалов А.М., Гашенко В.И., Гудова Н.В., Гречишникова О.Г. «Подход «единое здоровье» (one health)» (обзорная статья). Биотехнология в медицине и фармации. 2025; 2 (1): 16-25.
25. Садеков Т.Ш., Затевалов А.М., Жиленкова О.Г., Омарова М.А., Роговский В.С., Федоров Д.С., Безродный С.Л. Структура микробиом-ассоциированного экспосома при рассеянном склерозе, раке кишечника и сахарном диабете 2 типа и дислипидемиях. Известия ГГТУ. Медицина, фармация. 2022; 3: 20-28.
26. Безродный С.Л., Марданлы С.Г., Затевалов А.М., Помазанов В.В., Терешина Е.В. Развитие концепции экспосома в оценке влияния микробиома на нарушения липидного и углеводного обмена человека. Известия ГГТУ. Медицина, фармация. 2021; 4: 26-42.
27. Затевалов А.М., Безродный С.Л., Марданлы С.Г., Помазанов В.В. Оценка степени тяжести сахарного диабета 2 типа методом микробиом-ассоциированной экспосомики у пациентов с нарушениями углеводного и липидного обмена. Известия ГГТУ. Медицина, фармация. 2021; 4: 43-53.
REFERENCES
1. Bajo-Fernández, M., Souza-Silva, É. A., Barbas, C., Rey-Stolle, M. F., & García, A. (2023). GC-MS-based metabolomics of volatile organic compounds in exhaled breath: Applications in health and disease. Frontiers in Molecular Biosciences, 10, Article 1295955. https://doi.org/10.3389/fmolb.2023.1295955
2. Traxler, S., Barkowsky, G., Saß, R., Klemenz, A.-C., Patenge, N., Kreikemeyer, B., Schubert, J. K., & Miekisch, W. (2019). Volatile scents of influenza A and S. pyogenes (co-)infected cells. Scientific Reports, 9, Article 18894. https://doi.org/10.1038/s41598-019-55334-0
3. Ahmed, W. M., Lawal, O., Nijsen, T. M., Goodacre, R., & Fowler, S. J. (2017). Exhaled volatile organic compounds of infection: A systematic review. ACS Infectious Diseases, 3(10), 695–710. https://doi.org/10.1021/acsinfecdis.7b00088
4. McCartney, M. M., Borràs, E., Rojas, D. E., Hicks, J. M., Sánchez, J. M., & Mazzone, P. J. (2022). Predominant SARS-CoV-2 variant impacts accuracy when screening for infection using exhaled breath vapor. Communications Medicine, 2(1), Article 158. https://doi.org/10.1038/s43856-022-00221-5
5. Mpolokang, A. G., Setlhare, T. C., Bhattacharyya, S., Chimowa, G., et al. (2025). New volatile organic compounds from the exhaled breath of active tuberculosis patients. Scientific Reports, 15, Article 5197. https://doi.org/10.1038/s41598-025-89178-8
6. Berna, A. Z., Merriman, J. A., Mellett, L., Parchment, D. K., Caparon, M. G., & Odom John, A. R. (2023). Volatile profiling distinguishes Streptococcus pyogenes from other respiratory streptococcal species. mSphere, 8(5), e00194-23. https://doi.org/10.1128/msphere.00194-23
7. Xie, Z., Morris, J. D., Pan, J., Cooke, E. A., Sutaria, S. R., Balcom, D., Marimuthu, S., Parrish, L. W., Aliesky, H., Huang, J. J., Rai, S. N., Arnold, F. W., Huang, J., Nantz, M. H., & Fu, X.-A. (2024). Detection of COVID-19 by quantitative analysis of carbonyl compounds in exhaled breath. Scientific Reports, 14(1), Article 14568. https://doi.org/10.1038/s41598-024-61735-7
8. Lomonaco, T., Romani, A., Ghimenti, S., Biagini, D., Bellagambi, F. G., Onor, M., … Di Francesco, F. (2018). Determination of carbonyl compounds in exhaled breath by on-sorbent derivatization coupled with thermal desorption and gas chromatography–tandem mass spectrometry. Journal of Breath Research, 12(4), 046004. https://doi.org/10.1088/1752-7163/aad202
9. Xie, Z., Morris, J. D., Mattingly, S. J., Sutaria, S. R., Huang, J., Nantz, M. H., & Fu, X.-A. (2023). Analysis of a broad range of carbonyl metabolites in exhaled breath by UHPLC-MS. Analytical Chemistry, 95(9), 4344–4352. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04604
10. Preti, G., Thaler, E., Hanson, C. W., Troy, M., Eades, J., & Gelperin, A. (2009). Volatile compounds characteristic of sinus-related bacteria and infected sinus mucus: Analysis by solid-phase microextraction and gas chromatography–mass spectrometry. Journal of Chromatography B, 877(22), 2011–2018. https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2009.05.028
11. Berna, A. Z., Merriman, J. A., Mellett, L., Parchment, D. K., Caparon, M. G., & Odom John, A. R. (2023). Volatile profiling distinguishes Streptococcus pyogenes from other respiratory streptococcal species [Preprint]. ResearchGate. https://doi.org/10.1128/msphere.00194-23
12. Remy, R., Kemnitz, N., Trefz, P., Fuchs, P., Bartels, J., Klemenz, A.-C., Rührmund, L., Sukul, P., Miekisch, W., & Schubert, J. K. (2022). Profiling of exhaled volatile organics in the screening scenario of a COVID-19 test center. iScience, 25(10), Article 105195. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105195
13. Żuchowska, K., & Filipiak, W. (2024). Modern approaches for detection of volatile organic compounds in metabolic studies focusing on pathogenic bacteria: Current state of the art. Journal of Pharmaceutical Analysis, 14(4), 100898. https://doi.org/10.1016/j.jpha.2023.11.005
14. Belizário, J. E., Faintuch, J., & Malpartida, M. G. (2022). Breath biopsy and discovery of exclusive volatile organic compounds for diagnosis of infectious diseases. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 12, 934018. https://doi.org/10.3389/fcimb.2022.934018
15. Seidl, E., Licht, J.-C., de Vries, R., Ratjen, F., & Grasemann, H. (2024). Exhaled breath analysis detects the clearance of Staphylococcus aureus from the airways of children with cystic fibrosis. Biomedicines, 12(2), 431. https://doi.org/10.3390/biomedicines12020431
16. Crone, E., Chou, H., Craster, A., Karaman, I., Boyle, B., Pocock, L., Allsworth, M., Gale, L., & Floto, A. (2024). VOC breath biomarkers for early detection and monitoring of acute pulmonary exacerbations in people with cystic fibrosis. European Respiratory Journal, 64(Suppl. 68), OA2909. https://doi.org/10.1183/13993003.congress-2024.OA2909
17. Center for Devices and Radiological Health. (2024, May 31). In vitro diagnostics EUAs – Other tests for SARS-CoV-2. U.S. Food and Drug Administration. https://www.fda.gov/medical-devices/coronavirus-covid-19-and-medical-devices/vitro-diagnostics-euas-other-tests-sars-cov-2
18. Ahmed, W. M., Lawal, O., Nijsen, T. M., Goodacre, R., & Fowler, S. J. (2017). Exhaled volatile organic compounds of infection: A systematic review. ACS Infectious Diseases, 3(10), 695–710. https://doi.org/10.1021/acsinfecdis.7b00088
19. Liangou, A., Tasoglou, A., Huber, H. J., Wistrom, C., Brody, K., Menon, P. G., Bebekoski, T., Menschel, K., Davidson-Fiedler, M., DeMarco, K., Salphale, H., Wistrom, J., Wistrom, S., & Lee, R. J. (2021). A method for the identification of COVID-19 biomarkers in human breath using proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry. eClinicalMedicine, 42, 101207. https://doi.org/10.1016/j.eclinm.2021.101207
20. He, J., Zhong, R., Xue, L., Wang, Y., Chen, Y., Xiong, Z., Yang, Z., Chen, S., Liang, W., & He, J. (2024). Exhaled volatile organic compounds detection in pneumonia screening: A comprehensive meta-analysis. Lung, 202(5), 501–511. https://doi.org/10.1007/s00408-024-00737-8
21. Schulz, E., Woollam, M., Grocki, P., Davis, M. D., & Agarwal, M. (2023). Methods to detect volatile organic compounds for breath biopsy using solid-phase microextraction and gas chromatography–mass spectrometry. Molecules, 28(11), 4533. https://doi.org/10.3390/molecules28114533