%0 Journal Article %K exhaled biomarkers %K proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometry (PTR-ToF-MS) %K real-time analysis %K refinement %K volatile organic compounds (VOC) %B Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift %C Hannover %D 2018 %G English %I Schlütersche Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG %R 10.2376/0005-9366-17101 %T Animal science meets agricultural practice: Preliminary results of an innovative technical approach for exhaled breath analysis in cattle under field conditions %V 131 %1 {"oldId":108259,"title":"Animal science meets agricultural practice: Preliminary results of an innovative technical approach for exhaled breath analysis in cattle under field conditions","topline":"","teaserText":"Angewandte Versuchstierkunde unter den Bedingungen landwirtschaftlicher Praxis: Erste Ergebnisse einer unter Feldbedingungen anwendbaren technischen L\u00f6sung zur Analyse von Atemgas bei Rindern","content":"

Summary<\/span>
In human and veterinary medicine, the search for exhaled volatiles as potential markers for disease detection has gained increasing attention because exhaled breath analysis bears the advantages of being continuous, non-invasive and reveals instantly available results. The aim of this study was to introduce a technical set-up for breath analysis in bovines. The technical set-up allows (i) CO2-controlled sampling and preconcentration of alveolar gas and (ii) direct breath gas analysis via proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry (PTR-ToF-MS) in parallel. While alveolar gas sampling enables the analysis by gas chromatography-mass spectrometry for unequivocal substance identification, PTR-ToF-MS ensures real-time identification of confounding signals within one measurement. Applicability of the system to conscious cattle and reliability of the signals obtained under field conditions were tested at eight dairy farms. This first testing phase in veterinary practice confirmed that the set-up was well tolerated by each of the cows and that reliable measured values (i.e., raw data) were gained at different respiratory rates. Inspiration could be clearly distinguished from expiration, thus providing the basis for excluding ambient air contamination. Consecutive measurements under standardised conditions in two bovines aged 5\u20136 months revealed effects of time of day, food intake and handling that need to be evaluated in-depth in future studies with larger groups of animals. As result of these proof-of-concept trials, the introduced technical set-up can be recommended for future studies evaluating exhaled markers in cattle. Breath gas analysis offers a new research area in veterinary medicine and is one step forward towards refining large animal studies, even under field conditions.<\/p>

Keywords<\/span>
exhaled biomarkers, proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometry (PTR-ToF-MS), real-time analysis, refinement, volatile organic compounds (VOC)<\/p>

Zusammenfassung<\/span>
Fl\u00fcchtige organische Substanzen im Atemgas gelten als potenzielle Biomarker f\u00fcr Erkrankungen. Die Vorteile der Atemgasanalytik begr\u00fcnden sich in der nichtinvasiven und kontinuierlichen Messung und der direkten Verf\u00fcgbarkeit der Messergebnisse vor Ort. Es sollte eine technische L\u00f6sung gefunden werden, um Atemgasanalytik bei Rindern auch unter Feldbedingungen durchf\u00fchren zu k\u00f6nnen. Hierf\u00fcr wurden (i) die CO2-gesteuerte Probennahme und Aufkonzentrierung des Alveolargases f\u00fcr Offline-Analysen und (ii) die atemzugaufgel\u00f6ste Echtzeitmessung mittels Proton Transfer Reaction \u2013 Time of Flight \u2013 Mass Spectrometry parallelgeschaltet. Die aufkonzentrierte alveol\u00e4re Atemgasprobe wurde anschlie\u00dfend mittels Gaschromatographie \u2013 Massenspektrometrie analysiert, um eine eindeutige Identifikation der Substanzen sicherzustellen. In acht verschiedenen Milchviehherden wurden die Anwendbarkeit des von uns etablierten Mess-Sys\u00adtems an wachen adulten Rindern und die Zuverl\u00e4ssigkeit der unter Feldbedingungen gewonnenen Messergebnisse getestet. Die in den technischen Aufbau integrierte Maske wurde von allen 83 Tieren gut toleriert. Unabh\u00e4ngig von der Atmungsfrequenz der Tiere konnten Inspiration und Exspiration sicher voneinander abgegrenzt werden, was zugleich die Eliminierung von St\u00f6reinfl\u00fcssen aus der Umgebungsluft erm\u00f6glichte. Wiederholte Verlaufsmessungen an zwei Rindern im Alter von f\u00fcnf bis sechs Monaten machten exemplarisch deutlich, dass u. a. Futteraufnahme, Tageszeit und Handling der Tiere bzw. Gew\u00f6hnungseffekte (Training) einen Einfluss auf die Mess\u00adergebnisse haben. Die Ergebnisse dieses Pilotprojektes zeigen, dass der gew\u00e4hlte technische Aufbau in zuk\u00fcnftigen Studien genutzt werden kann, um fl\u00fcchtige organische Substanzen als potenzielle Biomarker beim Rind zu detektieren. Nach entsprechender Evaluierung der Methodik kann die nichtinvasive Atemgasanalytik zum \u201aRefinement\u2018 experimenteller Studien an Gro\u00dftieren beitragen.<\/p>

Schl\u00fcsselw\u00f6rter<\/span>
exhalierte Biomarker, Echtzeitmessung, fl\u00fcchtige organische Substanzen, Proton Transfer Reaction \u2013 Time of Flight \u2013 Mass Spectrometry (PTRToF-MS), Refinement<\/p>","categories":["Open Access","Tier\u00e4rztliche Wochenschrift","Abostufe BMTW","Fachartikel","Abostufe frei"],"fromDate":"Jun 6, 2018 11:20:37 AM","oldUrls":["http:\/\/vetline.de\/animal-science-meets-agricultural-practice-preliminary-results-of-an-innovative-technical-approach-for-exhaled-breath-analysis-in-cattle-under-field-conditions\/150\/3130\/108259","http:\/\/vetline.de\/animal-science-meets-agricultural-practice-preliminary-results-of-an-innovative-technical-approach-for-exhaled-breath-analysis-in-cattle-under-field-conditions\/150\/3216\/108259"],"doiLanguage":"englisch","doiProductFormat":"online","doiPublisher":"Schl\u00fctersche Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG","doiSerialWorkTitle":"Berl M\u00fcnch Tier\u00e4rztl Wochensch","doiDocumentUri":"https:\/\/vetline.de\/files\/smfiledata\/7\/2\/0\/7\/3\/8\/BMTW_OA_17101_Reinhold.pdf","doiSource":"Berl M\u00fcnch Tier\u00e4rztl Wochensch","doiissn":"0005-9366","doiNr":"10.2376\/0005-9366-17101","doiFirstPage":".","doiLastPage":"..","doiTransmitted":true,"doiAuthor":"K\u00fcntzel A, Oertel P, Trefz P, Miekisch W, Schubert JK, K\u00f6hler H, Reinhold P","pdf":{"path":"http:\/\/data\/BMTW_OA_17101_Reinhold.pdf","title":"BMTW_OA_17101_Reinhold","description":"Animal science meets agricultural practice: Preliminary results of an innovative technical approach for exhaled breath analysis in cattle under field conditions"},"authors":[{"firstName":"A","middleName":"","lastName":"K\u00fcntzel"},{"firstName":"P","middleName":"","lastName":"Oertel"},{"firstName":"P","middleName":"","lastName":"Trefz"},{"firstName":"W","middleName":"","lastName":"Miekisch"},{"firstName":"J","middleName":"K","lastName":"Schubert"},{"firstName":"H","middleName":"","lastName":"K\u00f6hler"},{"firstName":"P","middleName":"","lastName":"Reinhold"}],"contentOptimised":"

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In human and veterinary medicine, the search for exhaled volatiles as potential markers for disease detection has gained increasing attention because exhaled breath analysis bears the advantages of being continuous, non-invasive and reveals instantly available results. The aim of this study was to introduce a technical set-up for breath analysis in bovines. The technical set-up allows (i) CO2-controlled sampling and preconcentration of alveolar gas and (ii) direct breath gas analysis via proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometry (PTR-ToF-MS) in parallel. While alveolar gas sampling enables the analysis by gas chromatography-mass spectrometry for unequivocal substance identification, PTR-ToF-MS ensures real-time identification of confounding signals within one measurement. Applicability of the system to conscious cattle and reliability of the signals obtained under field conditions were tested at eight dairy farms. This first testing phase in veterinary practice confirmed that the set-up was well tolerated by each of the cows and that reliable measured values (i.e., raw data) were gained at different respiratory rates. Inspiration could be clearly distinguished from expiration, thus providing the basis for excluding ambient air contamination. Consecutive measurements under standardised conditions in two bovines aged 5\u20136 months revealed effects of time of day, food intake and handling that need to be evaluated in-depth in future studies with larger groups of animals. As result of these proof-of-concept trials, the introduced technical set-up can be recommended for future studies evaluating exhaled markers in cattle. Breath gas analysis offers a new research area in veterinary medicine and is one step forward towards refining large animal studies, even under field conditions.<\/p>

Keywords:<\/strong>
exhaled biomarkers, proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometry (PTR-ToF-MS), real-time analysis, refinement, volatile organic compounds (VOC)<\/p>

Zusammenfassung<\/strong>
Fl\u00fcchtige organische Substanzen im Atemgas gelten als potenzielle Biomarker f\u00fcr Erkrankungen. Die Vorteile der Atemgasanalytik begr\u00fcnden sich in der nichtinvasiven und kontinuierlichen Messung und der direkten Verf\u00fcgbarkeit der Messergebnisse vor Ort. Es sollte eine technische L\u00f6sung gefunden werden, um Atemgasanalytik bei Rindern auch unter Feldbedingungen durchf\u00fchren zu k\u00f6nnen. Hierf\u00fcr wurden (i) die CO2-gesteuerte Probennahme und Aufkonzentrierung des Alveolargases f\u00fcr Offline-Analysen und (ii) die atemzugaufgel\u00f6ste Echtzeitmessung mittels Proton Transfer Reaction \u2013 Time of Flight \u2013 Mass Spectrometry parallelgeschaltet. Die aufkonzentrierte alveol\u00e4re Atemgasprobe wurde anschlie\u00dfend mittels Gaschromatographie \u2013 Massenspektrometrie analysiert, um eine eindeutige Identifikation der Substanzen sicherzustellen. In acht verschiedenen Milchviehherden wurden die Anwendbarkeit des von uns etablierten Mess-Sys\u00adtems an wachen adulten Rindern und die Zuverl\u00e4ssigkeit der unter Feldbedingungen gewonnenen Messergebnisse getestet. Die in den technischen Aufbau integrierte Maske wurde von allen 83 Tieren gut toleriert. Unabh\u00e4ngig von der Atmungsfrequenz der Tiere konnten Inspiration und Exspiration sicher voneinander abgegrenzt werden, was zugleich die Eliminierung von St\u00f6reinfl\u00fcssen aus der Umgebungsluft erm\u00f6glichte. Wiederholte Verlaufsmessungen an zwei Rindern im Alter von f\u00fcnf bis sechs Monaten machten exemplarisch deutlich, dass u. a. Futteraufnahme, Tageszeit und Handling der Tiere bzw. Gew\u00f6hnungseffekte (Training) einen Einfluss auf die Mess\u00adergebnisse haben. Die Ergebnisse dieses Pilotprojektes zeigen, dass der gew\u00e4hlte technische Aufbau in zuk\u00fcnftigen Studien genutzt werden kann, um fl\u00fcchtige organische Substanzen als potenzielle Biomarker beim Rind zu detektieren. Nach entsprechender Evaluierung der Methodik kann die nichtinvasive Atemgasanalytik zum \u201aRefinement\u2018 experimenteller Studien an Gro\u00dftieren beitragen.<\/p>

Schl\u00fcsselw\u00f6rter:<\/strong>
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