L-Laktat und H₂O₂-Bestimmungen im Atemkondensat unter Ruhebedingungen sowie unter leichter bis mittelgradiger Belastung von jungen gesunden Probanden

Zusammenfassung

Hintergrund: Die Messung von Entzündungsmarkern, H₂O₂, und Stoffwechselmetaboliten, L-Laktat, im Atemkondensat hat den Vorteil einer nicht-invasiven Methode. Dieses wurde durch die neuartige Entwicklung von Enzymsensoren für L-Laktat und H₂O₂ möglich. In einem ersten Schritt überprüften wir experimentell bei jungen gesunden Versuchspersonen, ob ein Nachweis dieser Substanzen im Atemkondensat unter der Bedingung der Ruhe und der submaximalen Belastung möglich ist.

Methoden: Bei Ruhebedingungen und bei körperlicher Belastung von 60 und 120 Watt auf dem Fahrradergometer im steady state wurde bei 19 Probanden bei jeder Belastungsstufe Atemkondensat aus 100 l ausgeatmeter Luft hergestellt, in dem mithilfe der Enzymbiosensoren (Eco-Check, Viasys Health Care) Wasserstoffperoxid, H₂O₂, amperometrisch nach Peroxidase vermittelter Reduktion zu Wasser, H⁺-Ionen und L-Laktat durch Oxidation zu Pyruvat und H₂O₂, gemessen wurde. Die Ausscheidungsraten wurden aus den Konzentrationen im Atemkondensat und der Sammelzeit berechnet und in den Einheiten nmol/min für L-Laktat und pmol/min für H₂O₂ angegeben.

Ergebnisse: In Ruhe wurden 100 l Ausatemluft in 10,6 ± 5,1 min gesammelt und im Mittel 0,99 ± 0,3 ml EBC gewonnen, auf der 60-Watt-Stufe in 6,7 ± 1,8 min 1,23 ± 0,47 ml EBC und auf der 120-Watt-Stufe in 4,8 ± 0,8 min 1,09 ± 0,38 ml. In Ruhe fanden wir eine mittlere L-Laktat-Abgabe von 3,3 ± 3,1 nmol/min, die auf der 60 Watt-Stufe auf 8,4 ± 5,1 nmol/min anstieg (p < 0,05) und bei 120 Watt einen Wert von 15,0 ± 12,6 nmol/min (p < 0,02) erreichte. Die Laktat-Abgabe war proportional zum Energieumsatz (r = 0,99). Die H₂O₂-Abgabe in Ruhe betrug 49,1 ± 37,9 pmol/min und stieg bei 60 Watt zunächst auf 159 ± 113 pmol/min (p < 0,05) und fiel auf der 120 Watt-Stufe auf 96,5 ± 49,5 pmol/min (p < 0,05) ab.

Schlussfolgerungen: Bereits in Ruhe werden deutlich bestimmbare Ausscheidungsraten für L-Laktat und H₂O₂ im Atemkondensat gefunden. Unter externer Belastung wird ein Anstieg der L-Laktat-Abgabe gemessen, der mit dem biologischen Energieumsatz korreliert. Inwieweit dieser mit der belastungsabhängigen Laktatkonzentration im arteriellen Blut korreliert, soll in weiterführenden Untersuchungen ermittelt werden.

Abstract

Background: The recently developed microenzyme detectors make a non-invasive measurement of inflammatory markers and L-lactate in exhaled breath condensate (EBC) possible. In a group of young and healthy subjects, we examined whether L-lactate and H₂O₂ can be detected in EBC.

Methods: During resting conditions as well as at 60 and 120 Watt external load on a cycle ergospirometer 100 l exhaled air were collected under stationary load conditions from 19 healthy subjects. Exhaled breath condensate (EBC) was obtained by cooling the expired air volume. The analysis was performed within 90 min using an ECo-Check amperometer (Viasys Health Care). The H₂O₂ measurement was performed amperometrically by means of a biosensor after chemical reaction catalysed by peroxidase. Lactate measurements were performed using a bienzyme sensor after lactate oxidase-induced oxidation of L-lactate to pyruvate and H₂O₂. The rates of release of L-lactate in nmol/min und H₂O₂ in pmol/min were calculated from the concentrations of L-lactate and H₂O₂ in the EBC and the time of collection.

Results: At rest 100 l exhaled air were collected in 10.6 ± 5.1 min, and 0.99 ± 0.3 ml EBC were obtained, at the 60 Watt step 1.23 ± 0.47 ml EBC were collected in 6.7 ± 1.8 min, and at 120 Watt 1.09 ± 0.38 ml EBC in 4.8 ± 0.8 min. At rest, there was a mean rate of L-lactate release of 3.3 ± 3.1 nmol/min, which increased at the 60 Watt step to 8.4 ± 5.1 nmol/min (p < 0.05), and at 120 Watt to 5.0 ± 12.6 nmol/min (p < 0.02). The rate of L-lactate was proportional to the metabolic rate (r = 0.99). The rate of H₂O₂ release at rest was 49.1 ± 37.9 pmol/min, it increased at 60 Watt to 159 ± 113 pmol/min (p < 0.05) and decreased at 120 Watt to 96.5 ± 49.5 pmol/min (p < 0.05).

Conclusions: Significant measurable concentrations of L-lactate and H₂O₂ in the exhaled breath condensate were found already under resting conditions. During external load, an increase in the L-lactate concentration was found, correlating with the metabolic rate. H₂O₂ is an inflammatory marker, its concentration in the EBC was markedly increased during the first step of applied external load, but less during the second. A probable correlation between L-lactate concentration in EBC and arterialised blood will be studied in future investigations.

Literatur

• 1 Horvarth I, Hunt J, Barnes P J. Exhaled breath condensate: methodological recommendations and unresolved questions.  Eur Respir J. 2005;  26 523-548
• 2 Kellum J A, Kramer D J. et al . Release of lactate by the lung in acute lung injury.  Chest. 1997;  111 1301-1305
• 3 Shephard R J. Physiology and Biochemistry of exercise. New York: Praeger Publishers 1982: 1-672
• 4 Marek W, Marek E, Nensa F. et al . Zur körperlichen Leistungsfähigkeit der Medizinstudenten im vorklinischen Studium.  Pneumologe. 2007;  61 59
• 5 Lusk G. Analysis of the oxidation of mixtures of carbohydrate and fat.  J Biol. Chem1924;  59 42
• 6 Fairchild C I, Stampfer J F. Particle concentration in exhaled breath.  Am Ind Hyg. Assoc1987;  48 948-949
• 7 Papineni R S, Rosenthal F S. The size and distribution of droplets in the exhaled breath of healthy human subjects.  J Aerosol Med. 1997;  10 105-116
• 8 Sachs L. Angewandte Statistik, Planung und Auswertung, Methoden und Modelle. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag 1992: 1-864
• 9 Geßner C. Das Atemkondensat – nicht-invasiv gewonnene biochemische Informationen aus der Lunge. Lengerich, Berlin, Bremen, Pabst Science Publishers 2005: 1-132
• 10 Conner G E, Salathe M, Forteza R. Lactoperoxidase and hydrogen peroxide metabolism in the airways.  Am J Respir Crit Care Med. 2002;  166 S57-S61
• 11 Nowak D, Kalucka S, Bialasiewicz P. et al . Exhalation of H₂O₂ and thiobarbituric acid reactive substances (TBARs) in healthy subjects.  Free Radic Biol Med. 2001;  30 178-186
• 12 De Marees H. Sportphysiologie. Köln: Verlag Sport und Buch 2007: 1-800
• 13 Knobloch H. Biologische Variabilität von ausgewählten Entzündungsmarkern (H₂O₂, Nitrit, LTB4, 8-iso-Prostan, pH-Wert und Laktat) in Atemkondensat und Blut beim Kalb unter Applikation neuer Messverfahren. 2005: 1-134 Diplomarbeit, Fachhochschule Jena. Ref Type: Thesis/Dissertation
• 14 Geßner C, Hammerschmidt J, Kuhn H. et al . Exhaled breath condensate acidification in acute lung injury.  Respir Med. 2003;  97 1188-1194 Ref Type: Journal (Full)