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Compartmental modeling for the volatile organic compound isoprene in human breath

Helin Koc Rauchenwald

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Mathematik

Betreuer*innen

Gerald Teschl ,

Karl Unterkofler

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DOI

10.25365/thesis.16265

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29114.74520.355361-2

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Der menschliche Atemluft enthält hunderte von flüchtigen Spurenelementen, die entweder im Organismus als Folge von biochemischen und metabolischen Prozessen entstehen, oder von der Umwelt absorbiert werden. Der Quantifizierung von flüchtigen organischen Spurenelementen (VOCs) im menschlichen Atem wird ein diagnostisches Potential zugeschrieben. Atemgasanalyse ist die wissenschaftliche Untersuchung der Atemluft und ihre Hauptmotivation ist die Suche nach Marker-Substanzen, die als Indikatoren von pathophysiologischen Erkrankungen dienen können. Aufgrund ihrer nicht-invasiven Natur haben atemgasanalytische Untersuchungen in den letzten Jahren enorm an Interesse gewonnen. Allerdings ist der nicht-invasive Test noch in Entwicklung und hat in der klinischen Routine noch nicht Eingang gefunden. Neben Problemen bezüglich der Standardisierung der Atemluftabnahme und der Analysemethoden, verhindert das unzureichende Wissen über die Herkunft und die biochemischen Prozesse dieser Substanzen die Anwendung der Atemtests. Die physiologisch basierte mathematische Modellierung spielt bei der quantitativen Analyse der experimentellen Daten eine entscheidende Rolle. Ihre Aufgabe ist es, eine mechanische Beschreibung der zugrundeliegenden physiologischen Phänomene unter Berücksichtigung aller relevanten experimentellen Daten zu liefern. Somit ermöglicht die mathematische Modellierung einerseits ein detailliertes Verständnis der physiologischen Vorgänge und kann andererseits aufgrund dessen bei der Standardisierung und Entwicklung der Atemluftentnahmemethoden eine wichtige Rolle spielen. Die Arbeit konzentriert sich auf Isopren, welches eine der wichtigsten organischen Substanzen in der menschlichen Atemluft ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, den quantitativen Zusammenhang zwischen den Atemluftkonzentration und der zugrundeliegenden endogenen Blut/und Gewebekonzentrationen von Isopren zu beschreiben. Um die Kurzzeiteffekte der relevanten physiologischen Faktoren (sowie Blutfluss und Atemfluss) zu bestimmen, wurden Echtzeitmessungen unter Ergometerbelastung durchgeführt. Die herkömmlichen Modelle, die sich hauptsächlich auf die funktionellen Änderungen der Lunge konzentrieren, sind nicht in der Lage, eine physiologisch relevante Beschreibung der experimentellen Daten zu liefern. Im Gegensatz dazu wurde ein neues Modell auf Basis einer peripheren Herkunft von Isopren von unserer Arbeitsgruppe entwickelt. Die neue Hypothese wurde in der vorliegenden Arbeit durch weitere Experimente bekräftigt und das zugrundeliegende Modell verfeinert, was uns zu der Schlussfolgerung führte, dass die Skelettmuskeln eine wichtige Rolle bei der Isoprenformation spielen. Diese Hypothese wirft ein neues Licht auf die bisherigen Untersuchungen und eröffnet neue Diskussions- und Interpretationsmöglichkeiten über die Herkunft von Isopren.

Abstract

(Englisch)

The interest in the diagnostic potential of volatile organic compounds (VOCs) in breath increases as a result of constantly improving modern analyzing techniques. Unfortunately, physicians have paid little attention to a causal mathematical description of the underlying physiological processes yet. Even if mathematical models are idealized representations of the reality, their impact on combining all the information and in prediction is undisputable. The emphasis of this work was to derive a mechanical description of the physiological processes governing the gas exchange dynamics of isoprene under physical exercise. Isoprene has been classified in the group of biomarkers and can be seen as a prototypic example of low-soluble substances concerning its gas exchange mechanisms. Modern mass spectrometric techniques allow its online quantification in exhaled breath in real time. Describing short-term effects is crucial to get a deeper understanding of the determining factors of the underlying mechanisms. Changes in physiology occurring during physical exercise, such as increased ventilation and increased cardiac output, offer an opportunity to examine and understand the exchange processes that determine absorption, desorption, and distribution of this important volatile organic compound. Thus, for the present work cycling exercises on a medical ergometer were carried out and an experimental setup allowing parallel and real-time measurements of exhaled isoprene time-courses in conjunction with physiological parameters was used to collect relevant information for modeling purposes. Isoprene concentrations show a distinct peak shaped response to exercise, which has been recognized before by several investigators. The existing model describing exhaled dynamics of isoprene in response to exercise is able to explain its dynamics only on the basis of physiological assumptions, which contradict physiological facts and real-time measurements. As conventional knowledge suggests isoprene is expected to be sensitive to the regional inhomogeneities in the lung due to its low solubility in blood. For this reason, we focused our attention onto various existing lung models first, which take into account regional inhomogeneities of the lung. However, such representations also fail to describe the observed data. On the contrary, experimental evidence suggests a relationship between muscle compartment activity and isoprene excretion. The first known physio\-logical model developed for isoprene exposure studies assumes a production of isoprene in the liver as the solely source of isoprene in the human body and fails to describe its exchange dynamics under physical exercise. Based on this model, we derived a compartment model, which suggests a metabolic activity of the skeletal muscles. The new model is capable to explain the observed isoprene profiles within a range of acceptable parameter sets. Even if further investigations are necessary to consolidate this hypothesis, several findings about isoprene, such as the linkage of its output to age and statin therapy, and the effect of bilateral deficit when switching from two-legged to one-legged exercise appear to fit into this hypothesis.

Autor*innen

Helin Koc Rauchenwald

Haupttitel (Englisch)

Compartmental modeling for the volatile organic compound isoprene in human breath

Paralleltitel (Deutsch)

Kompartimentelle Modellierung für den flüchtigen Substanz Isopren in der menschlichen Atemluft

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

110

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Reinhard Bürger ,

Jerry Batzel

Klassifikation

31 Mathematik > 31.44 Gewöhnliche Differentialgleichungen

AC Nummer

AC08862702

Utheses ID

14584

Studienkennzahl

UA | 091 | 405 | |

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