การตรวจวิเคราะห์ลมหายใจเพื่อวินิจฉัยโรค

           ลมหายใจ เกิดขึ้นเนื่องจากร่างกายต้องลำเลียงก๊าซออกซิเจนเข้าสู่ปอดและลำเลียงก๊าซคาร์บอนไดออกไซค์ออกจากร่างกาย  ภายในลมหายใจจะพบละอองฝอยที่ประกอบไปด้วยอนุภาคต่างๆ ทั้งขนาดเล็กและใหญ่  นอกเหนือจากนั้นสิ่งหนึ่งที่ปะปนออกมาด้วยนั่นก็คือ สารอินทรีย์ระเหยง่าย (Volatile Organic Compounds, VOCs) ซึ่งเป็นสารที่เกิดจากกระบวนการเมตาโบลิซึม (Metabolism) ของร่างกายผ่านเข้าสู่ระบบเลือดและออกมาทางลมหายใจ  และบางครั้งก็เป็นสาร VOCs ในลมหายใจก็อาจจะมาจากสิ่งแวดล้อมที่ถูกดูดซึมเข้าสู่ร่างกายแล้วออกมาทางลมหายใจได้เช่นเดียวกัน

           สาร VOCs ที่อยู่ในลมหายใจสามารถมีได้ถึง 1000 ชนิด  โดยทั่วไปจะพบในรูปแบบที่คล้ายคลึงกันหรือแตกต่างกันในแต่ละบุคคลขึ้นอยู่กับหลายปัจจัยทั้งทางด้านสิ่งแวดล้อม การบริโภค หรือการใช้ยารักษาโรค แต่สาร VOCs บางชนิดที่เกิดขึ้นเฉพาะกลุ่มบุคคลที่แสดงอาการป่วยด้วยโรคเดียวกัน  ทำให้สามารถใช้สาสาร VOCs นี้เป็นตัวชี้วัดทางชีวภาพ (Biomarkers) เพื่อตรวจคัดกรอง ตรวจติดตามการเกิดโรค หรือตรวจติดตามการรักษาโรคได้ เช่น ผู้ป่วยโรคมาลาเลีย จะพบสาร Allyl methyl sulfide, Propyl methyl sulfide, Methyl trans-propen-1-yl sulfide และ Methyl cis-propen-1-yl sulfide แตกต่างจากผู้ที่มีร่างกายปกติอย่างชัดเจน หรือ ผู้ป่วยโรคมะเร็งจะพบสาร Ketone และ Aldehyde มากกว่าคนปกติ เป็นต้น

กราฟแสดงความแตกต่างของสาร VOCs  ที่เป็นตัวบ่งชี้โรคที่พบในผู้ป่วยโรคมาลาเลีย

อาสาสมัครจะถูกทําให้ติดเชื้อจนผ่านไป 7 วัน จึงให้ยาต้านเชื้อมาลาเรีย

                 การใช้ลมหายใจเพื่อตรวจคัดกรอง วินิจฉัย และตรวจติดตามการรักษาโรคมีข้อดีเมื่อเทียบกับการตรวจโดยการใช้เลือด คือ ผู้เข้ารับการตรวจไม่เจ็บตัว  สามารถเก็บตัวอย่างได้มากทดสอบซ้ำๆ ต่อเนื่องเพื่อให้เห็นการเปลี่ยนแปลงหรือแนวโน้มของสภาวะต่างๆ ในร่างกายเมื่อได้รับการรักษา  ดังนั้นการใช้ลมหายใจเพื่อใช้เป็นตัวชี้วัดทางชีวภาพจึงเป็นทางเลือกที่ช่วยให้การวิเคราะห์ วิจัย และวินิจฉัย ทำได้ง่ายมากยิ่งขึ้นแม้ว่าในปัจจุบันยังอยู่ในขั้นตอนการของการวิจัยแต่แนวโน้มของงานวิจัยที่ประสบความสำเร็จที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ คาดว่าในอนาคตอันใกล้นี้วิธีการนี้จะถูกนำมาใช้ในการตรวจวินิจฉัยอย่างแพร่หลาย ทำให้การตรวจคัดกรองโรคต่างๆ เกิดได้ทั่วถึงทุกคนเนื่องจากเป็นวิธีที่ค่าใช้จ่ายไม่สูงและทำได้รวดเร็วอีกด้วย

กราฟแสดงจำนวนงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ลมหายใจที่เพิ่มขึ้น

การเก็บตัวอย่างลมหายใจ

         สาร VOCs ที่อยู่ในลมหายใจนั้นมีความเจือจางเนื่องด้วยองค์ประกอบของลมหายใจมีหลากหลาย ดังนั้นการเก็บตัวอย่างลมหายใจเพื่อนสาร VOCs ไปวิเคราะห์จะต้องมีการเพิ่มความเข้มข้นของสาร VOCs ก่อนนำไปวิเคราะห์  สามารถทำได้โดยใช้หลอดเก็บตัวอย่างที่บรรจุตัวดูดซับ (Sorbent Tube) ที่เหมาะสม  จากนั้นสามารถผ่านลมหายใจเพื่อให้ดักจับเฉพาะสาร VOCs ไว้ เป็นการเพิ่มความเข้มข้นของสารก่อนนำไปวิเคราะห์ด้วยเทคนิค Thermal Desorption- Gas Chromatography- Mass Spectrometer (TD-GC-MS)

รูปแสดงขั้นตอนการเก็บตัวอย่างลมหายใจ

รูปแสดงการเก็บตัวอย่างลมหายใจด้วยอุปกรณ์ BIO-VAC (ซ้าย) และ ReCIVA Breath Sampler (ขวา)

วิธีวิเคราะห์

                   เมื่อเก็บตัวอย่างลมหายใจจากผู้ทดสอบเรียบร้อยแล้ว หลอดบรรจุตัวอย่าง (Sample tube หรือ Sorbent tube) จะถูกนำเข้าระบบ Thermal Desorption เพื่อชะสาร VOCs เข้าสู่ระบบแก๊สโครมาโทกราฟีเพื่อแยกและวิเคราะห์ชนิดและปริมาณของสาร VOCs ต่อไป โดยขั้นตอนการชะสาร VOCs ในระบบของ Thermal Desorption นั้นแบ่งเป็น 2 ขั้นตอนคือ

                    1. Tube desorption เป็นการให้ความร้อนกับ Sorbent Tube หรือ Sample Tube เพื่อให้สาร VOCs ถูกชะออกสู่ Focusing trap ที่สามารถควบคุมอุณหภูมิต่ำได้ในช่วง -30 ถึง 50 องศาเซลเซียส และยังสามารถเลือกแบ่งตัวอย่างที่ถูกชะออกมา (Split) สู่ Sorbent Tube เปล่าเพื่อเก็บตัวอย่างไว้วิเคราะห์ซ้ำ (Recollection) ได้อีกด้วย

                    2. Trap desorption คือการให้ความร้อนกับ Focusing trap ด้วยความรวดเร็ว โดยสามารถเพิ่มอุณหภูมิได้สูงสุด 425 องศาเซลเซียสด้วยความเร็วสูงสุด 100 องศาเซลเซียสต่อวินาที เพื่อชะสาร VOCs เข้าสู่ระบบแก๊สโครมาโทกราฟ ซึ่งการชะสาร VOCs ออกจาก Focusing trap เป็นแบบ Backflush เพื่อเพิ่มประสิทธาภาพในการนำสาร VOCs เข้าสู่ระบบแก๊สโครมาโทกราฟี (GC) และยังสามารถเลือกแบ่งตัวอย่างที่ถูกชะออกมา (Split) สู่ Sorbent Tube เปล่าเพื่อเก็บตัวอย่างไว้วิเคราะห์ซ้ำ (Recollection) ได้อีกด้วย

                    เมื่อสาร VOCs ถูกชะเข้าสู่ระบบ GC สาร VOCs ก็จะถูกแยกออกจากกันและตรวจวัดออกมาในรูปแบบโครมาโทแกรม (Chromatogram) ของสาร VOCs ที่ตรวจพบทั้งหมดเพื่อดูความแตกต่างระหว่างผู้ป่วยกับผู้ที่มีร่างกายปกติดังแสดงในตัวอย่าง

รูปแสดงโครมาโทแกรมเปรียบเทียบระหว่างผู้ป่วยและผู้มีร่างกายปกติ

                    เนื่องจากสาร VOCs ที่พบในลมหายใจมีมากกว่า 1000 ชนิดดังนั้นการใช้เทคนิคการแยกสารเพียงอย่างเดียวอาจไม่เพียงพอเนื่องจากการแยกสารผสมจำนวนมากจะต้องใช้เวลาในการวิเคราะห์นาน  อีกหนึ่งเทคนิคที่เข้ามาช่วยให้การวิเคราะห์ผลทำได้รวดเร็วขึ้นนั้นก็คือการใช้ตัวตรวจวัดชนิดแมสสเปคโตรมิเตอร์ชนิดความละเอียดสูง (High Resolution Mass Spectrometer, HRMS) ซึ่งสามารถระบุชนิดของสารได้อย่างแม่นยำแม้ว่าการแยกสารไม่สมบูรณ์  ผลการวิเคราะห์ที่ได้สามารถนำมาระบุชนิดของสาร  เปรียบเทียบอัตราส่วนของสาร VOCs ที่ตรวจพบเทียบกับฐานข้อมูลที่เกี่ยวข้องในการบ่งชี้ได้อีกด้วย  

รูปแสดงการเปรียบเทียบอัตราส่วนสเปคตรัม (Spectrum) ของสาร VOCsที่ตรวจพบในตัวอย่าง (A) เทียบกับฐานข้อมูล (B)

 สรุป

          การตรวจวิเคราะห์ลมหายใจเพื่อคัดกรองและวินิจฉัยโรคเป็นวิธีการที่สะดวก  รวดเร็ว  ไม่เจ็บตัวและค่าใช้จ่ายไม่สูงเนื่องจากอุปกรณ์การเก็บตัวอย่างลมหายใจสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้  และในอนาคตอันใกล้หากวิธีการนี้ผ่านงานวิจัยที่สามารถรับรองผลได้ถูกต้องแม่นยำจนสามารนำวิธีการนี้มาใช้อย่างมั่นใจ จะทำให้ทุกคนสามารถตรวจสอบสุขภาพร่างกายได้อย่างทั่วถึง  และได้รับการรักษาได้อย่างทันท่วงทีแน่นอน