呼吸中のエタノールおよびアセトアルデヒドのアルコールデヒドロゲナーゼのレドックス反応に基づくスイッチ可能なスニフカム（ガスイメージングシステム）

ヒトから放出される揮発性有機化合物（VOC）の測定は、非侵襲的疾患スクリーニングと代謝評価の有望な方法です。人間の呼吸と皮膚ガスに由来する複数のVOCを選択的に画像化することは、現在のガス分析技術を改善することが期待されています。この研究では、複数のVOCの濃度分布、つまりエタノール（EtOH）とアセトアルデヒド（ACh）の濃度分布を同時に画像化するために使用できるガスイメージングシステム（Sniff-Cam）が開発されました。スニフカムは、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD）依存性アルコールデヒドロゲナーゼ（ADH）のpH依存性レドックス反応に基づいていました。Sniff-Camは、カメラ、2つのADH固定化メッシュ、UV主導の配列シートで構成されていました。NAD（NAD+）または還元型（NADH）の溶液を含むADHの不調整メッシュを、それぞれETOHイメージングメッシュとACHイメージングメッシュとして使用しました。ETOHおよびACH濃度の分布は、NADHの蛍光を通して視覚化されました（励起波長は340nm、放射波長は490nmでした）。第一に、ADHの酸化還元反応の活性に対するpHの影響を測定し、次にスニフカムの定量性と選択性を評価しました。ETOHとACHのADHを介した反応は、それぞれpH 9.0とpH 6.5で最大の活性を示しました。Sniff-Camは、アルコールを飲んだ後にEtOHとACHを測定するためのダイナミックレンジ（ETOHの0.1-1000ppmおよびAChで0.2-10ppm）だけでなく、他の呼吸VOCに対して高い選択性を示しました。最後に、アルコールを飲んだ後のeTOHとACHが同時に測定されました。アルデヒドデヒドロゲナーゼ2型の活性が高いグループ（ETOH = 143.3±13.5ppm、ACH = 1.7±0.2ppm）および低活性のあるグループ（ETOH = 163.3±28.0ppm、ACH = 8.4±0.5ppm）が表示されます。ETOHとACHの濃度は呼吸サンプルに含まれており、開発された方法の有効性が確認され、以前の結果と比較されました。将来の多重化されたスニフカムは、複数のNADH依存性酵素を使用して、人間の呼吸と皮膚ガスのさまざまなVOCを選択的かつ同時にイメージングできることが示唆されています。

Measuring the volatile organic compounds (VOCs) released from a human is a promising method for noninvasive disease screening and metabolism assessment. Selectively imaging multiple VOCs derived from human breath and skin gas is expected to improve current gas analysis techniques. In this study, a gas-imaging system (sniff-cam) that can be used to simultaneously image the concentration distribution of multiple VOCs, namely, ethanol (EtOH) and acetaldehyde (AcH), was developed. The sniff-cam was based on the pH-dependent redox reactions of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)-dependent alcohol dehydrogenase (ADH). The sniff-cam was constructed with a camera, two ADH-immobilized meshes, and a UV-LED array sheet. The ADH-immobilized mesh containing a solution of the oxidized form of NAD (NAD+) or reduced form (NADH) was used as an EtOH-imaging mesh and an AcH-imaging mesh, respectively. The distributions of the EtOH and AcH concentrations were visualized through the fluorescence of NADH (the excitation wavelength was 340 nm; the emission wavelength was 490 nm) occurring by the ADH-mediated redox reaction. First, the influence of pH on the activity of the redox reaction of ADH was measured, and then the quantitativeness and selectivity of the sniff-cam were evaluated. The ADH-mediated reactions of EtOH and AcH showed maximum activities at pH 9.0 and pH 6.5, respectively. The sniff-cam demonstrated not only a dynamic range (0.1-1000 ppm for EtOH and 0.2-10 ppm for AcH) for measuring EtOH and AcH in breath after drinking alcohol, but also displayed a high selectivity against other breath VOCs. Finally, EtOH and AcH in breath after drinking alcohol were measured simultaneously. A group with high activity of aldehyde dehydrogenase type 2 (EtOH = 143.3 ± 13.5 ppm, AcH = 1.7 ± 0.2 ppm) and a group with low activity (EtOH = 163.3 ± 28.0 ppm, AcH = 8.4 ± 0.5 ppm) displayed differences in the concentrations of EtOH and AcH contained in their breath samples, and the effectiveness of the developed method was confirmed and compared with previous results. It is suggested that the multiplexed sniff-cam in the future may be capable of selectively and simultaneously imaging various VOCs in human breath and skin gas by using multiple NADH-dependent enzymes.