Multi-species breath biomarker profiling with an ultra-broadband (2.9-11.5 {\mu}m) spectroscopic platform

技術概要：超広帯域（2.9–11.5 µm）分光プラットフォームを用いた多種呼気バイオマーカー・プロファイリング

問題提起
現在の呼気分析用光学プラットフォームは、通常、狭い瞬間的スペクトルカバレッジによって制限されており、検出が単一または少数の分子種に限定されることが多い。質量分析（MS）は広範なプロファイリング能力を提供するが、オフラインサンプリングを必要とし、迅速な代謝モニタリングのための時間分解能が不足しており、広範な較正なしには異性体化合物や小型無機分子（例：NO、CO、CH₄、NH₃）の同定に苦慮する。一方、既存の広帯域赤外レーザーシステムは、熱光源では感度が限定的であったり、周波数コムでは広範囲をカバーするために複数のシステムを必要としたりして、瞬間的帯域幅が制限される傾向がある。多様な分子クラスにわたる包括的な呼気バイオマーカーのプロファイルを、同時に高感度で検出でき、堅牢かつオンラインで較正不要なプラットフォームが必要とされている。

手法
著者らは、3 つの中核システムから構成される統合型・超広帯域中赤外分光プラットフォームを開発した。

1. 光源：2.9–11.5 µm（2580 cm⁻¹）にわたる新規イントラパルス差周波発生（IDFG）スーパーコンチニュアム光源。この光源は、広帯域ビームを生成するために、Cr:ZnS 超短パルスレーザーシステムと亜鉛ゲルマニウムリン酸塩（ZGP）結晶を結合させた。
2. 分光器：共通モードノイズを除去するバランス検出方式を備えたカスタムビルドのフーリエ変換分光器（FTS）。このシステムは、10 cm の光路差により 0.1 cm⁻¹（3 GHz）の分光分解能を達成する。
3. サンプリングインターフェース：カプノグラフィを用いて呼気終末分画を直接加熱型マルチパスセル（31.2 m の光路長）に収集する標準化されたオンライン呼気サンプリングユニット。これにより、肺胞空気の選択と揮発性化合物の凝縮防止が確保される。

データ処理ワークフローには、干渉図をパワースペクトルに変換し、さらに吸光度スペクトルに変換する工程が含まれる。著者らは 2 つの解析戦略を採用した。

• ターゲット未設定解析：化合物の事前選択なしに介入関連のクラスタリングを特定するため、生吸光度データに対する主成分分析（PCA）。
• ターゲット設定解析：ビアー・ランベルトの法則を用いた較正不要な定量。濃度は、HITRAN2020 および PNNL データベースからの模擬参照スペクトルを測定された広帯域吸光度にフィットさせることで取得された。CO₂や H₂O などの優勢種からの干渉を軽減するため、絶対（乾燥窒素で正規化）および相対（基準呼気サンプルで正規化）の吸光度スペクトルの両方が使用された。

主な貢献

• 前例のないスペクトルカバレッジ：本システムは、複数のレーザー光源の組み合わせを必要とした従来最先端システムの 1010 cm⁻¹のカバレッジを超え、2580 cm⁻¹（2.9–11.5 µm）の単一スキャン瞬間帯域幅を達成した。
• 較正不要な多種検出：このプラットフォームは、外部較正やレーザーのチューニングなしに、軽無機ガス（NH₃、CO、N₂O）、炭化水素（CH₄、イソプレン）、ケトン（アセトン）の同時定量を可能にする。
• 高時間分解能：本システムは 3 分間の測定ウィンドウ内で動的な代謝変化を分解し、生理学的反応のリアルタイム追跡を可能にする。
• 堅牢なオンラインサンプリング：カプノグラフィトリガー型サンプリングシステムの統合により、再現性のある呼気終末分画の収集を確保し、呼気分析における重要な標準化のギャップに対処した。

結果
本プラットフォームは、健康な被験者による 3 つの介入ベースのケーススタディを通じて検証された。

1. タンパク質摂取：プロテインシェイクの摂取後、本システムはアミノ酸のカタボリズムと一致する、呼出アンモニア（NH₃）の有意な増加を検出した。同時に、イソプレンの modest な上昇が観察された。
2. 絶食：14–22 時間の絶食期間中、本システムはケトーシスのマーカーであるアセトンの漸増を追跡した。ある被験者では、上昇するアセトンと低下するメタンレベルの間に明確な逆相関が観察され、本システムが同期した被験者固有の代謝軌跡を捉える能力を有していることが示された。
3. 喫煙：本プラットフォームは、喫煙後の一酸化炭素（CO）の急速な上昇およびその後の洗い出しを監視し、カルボキシヘモグロビンの半減期と一致する減衰を追跡した。

アセトンに対するプロトン移動反応飛行時間質量分析（PTR-ToF-MS）との定量的検証では、優れた相関（R² = 0.93）が示され、較正不要分光モデルの精度が確認された。検出限界は、ほとんどの対象化合物で数十 ppb（parts per billion）に達成され、CO₂および H₂O の検出は高 ppm 範囲であった。

意義
本論文は、この研究がレーザー分光法の選択性と質量分析の多重化能力のギャップを埋める「オンライン呼気分析のための強力で多用途なツール」を確立したと主張している。単一の較正不要な測定で呼出される呼気の包括的な分子指紋を提供することにより、このプラットフォームは、非侵襲的臨床診断および曝露モニタリングのための堅牢なモダリティを提供する。著者らは、これをリアルタイムで動的な代謝変化を追跡できる初のレーザーベースシステムとして位置づけ、個別化医療における将来の時間分解型・呼気ごとの分子プロファイリングの基盤を築いたとしている。著者らは、現在のシステムは重要な一歩であるが、スペクトル範囲と感度のさらなる拡張により、将来のデータ取得における機械学習の統合が潜在的に支援となり、痕跡化合物（サブ ppb）および同位体分子の検出が可能になると指摘している。