Introducción

La Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica (EPOC) se constituye por la disminución del calibre de la pared bronquial (bronquitis crónica), y la destrucción alveolar (enfisema pulmonar) con agrandamiento de los espacios aéreos, dificultando la respiración. A pesar de ser una enfermedad prevenible y tratable, actualmente se encuentra dentro de las primeras cuatro causas de morbilidad y mortalidad a nivel mundial (Martínez Luna et al. 2020; McDonald y Khor 2013).

Dentro de los principales factores de riesgo causantes de la EPOC, el más frecuente es el tabaquismo. No obstante, la exposición prolongada a ciertos polvos en el trabajo, químicos y aire contaminado en ambientes cerrados y abiertos puede contribuir a la enfermedad (Alhamdow et al. 2021). En este sentido en países en vías de desarrollo, la exposición al humo de leña es también causa de dichos padecimientos siendo el tiempo de exposición un factor determinante en la severidad de la enfermedad (GIFCOL 2018; Acuña et al. 2012; Kaldman et al. 2003).

El humo de leña o biomasa se compone de mo-nóxido de carbono, óxido nítrico y sulfúrico, benceno, aldehídos, y partículas de materia respirables PM10 y PM2.5 (WhO 2005; Zhang y Smith 2003) , estas partículas se pueden inhalar fácilmente y atravesar la barrera pulmonar entrando al sistema sanguíneo causando efectos dañinos en otros órganos (Juneman 2007). Estudios de la Organización Mundial de las Salud indican que las mujeres con exposición intensa al humo doméstico son tres veces más vulnerables de padecer EPOC y dos veces más a padecer cáncer pulmonar que aquellas que utilizan combustibles más limpios. En este sentido, el impacto a nivel mundial por la quema de leña en el interior de las viviendas está relacionado con 1.6 millones de muertes. Asimismo, existen más de 28 millones de hogares distribuidos en la república mexicana, que utilizan leña para la cocción de los alimentos y satisfacer sus necesidades energéticas básicas (^{Callejón-Leblic et al. 2019}), lo que indica la magnitud de la población expuesta y la necesidad de contar con técnicas de detección temprana de enfermedades pulmonares.

Al respecto, la prueba para el diagnóstico de la EPOC es la espirometría, indicando la limitación al flujo aéreo (obstrucción) que persiste después de la administración de un broncodilatador. Esta prueba debe realizarse por equipo y personal especializado, aumentando los costos, por lo que la EPOC permanece subdiagnosticada, no sólo en los estadios tempranos, sino también en los tardíos. La búsqueda de biomarcadores para un diagnóstico temprano de la inflamación crónica de las vías respiratorias en la EPOC presenta perfiles celulares y moleculares distintos a los encontrados en una persona sana. La metabolómica puede permitir la evaluación de perfiles moleculares globales para ser utilizados como biomarcadores, lo que resulta en una huella química específica de la enfermedad (GIFCOL 2018; McDonald y Khor 2013).

Para evaluar desordenes metabólicos de la fi-siopatología del pulmón se ha utilizado principalmente el aliento exhalado Rodríguez-Aguilar etal. (2019). Este ha tomado una gran relevancia como método de diagnóstico no invasivo, de bajo costo, rápido y seguro. Como el estudio realizado por Rodríguez et al. en 2020, donde analizaron el aliento exhalado de 116 pacientes con EPOC (88 asociado a tabaquismo y 28 a quema de biomasa) y 178 sujetos clínicamente sanos, por medio de la nariz electrónic Cyranose 320, logrando encontrar una huella química que separa los pacientes con EPOC de los sujetos sanos, indicando que existen diferentes Compuestos Orgánicos Volátiles (CO-Vs) presentes en el aliento exhalado que pueden contribuir como biomarcadores en la detección de la enfermedad. Asimismo, demostraron que la separación de la huella química está asociada a la enfermedad y no a la causalidad (Rodríguez-Aguilar et al. 2020).

Por lo tanto, el objetivo de la investigación es aplicar modelos metabolómicos para la identificación de la EPOC en población vulnerable expuesta a la quema de biomasa determinado por la concentración del metabolito de 1-hidroxipireno en una comunidad indígena de México.

Materiales y Métodos

Selección de participantes para el estudio. Se realizó un muestreo de aliento exhalado a 142 participantes: 44 pacientes con EPOC asociado a la quema de biomasa, 60 controles y 38 participantes de la población indígena expuesta a la quema de biomasa (PIE).

Aprobación del estudio. El estudio contó con la aprobación del comité de bioética e investigación del Hospital Central “Ignacio Morones Prieto”, con número 23-16.

Criterios de inclusión. Los criterios de inclusión para los tres grupos de estudio (Grupo control, Grupo de pacientes con EPOC y Grupo PIE) fueron los siguientes: I) Contar con una espirometría actual y una valoración médica, II) Contestar cuestionario para conocer su estado de salud, III) Firmar el consentimiento informado, IV) El grupo de PIE haber vivido siempre en la zona Indígena (Tocoy, San Antonio, S.L.P.) y contestar el cuestionario para determinar el nivel de exposición.

Prueba de función pulmonar. Se realizó una prueba de espirometría a todos los participantes antes y después de la administración de 200 gg de salbutamol, siguiendo las pautas de los estándares American ATS/ERS (American Thoracic Society/ European Respiratory Society) (Alhamdow et al. 2021). Los valores normales predichos fueron los establecidos para la población mexicoamericana a partir del estudio NHANES III (Lareau 2019). La respuesta significativa al broncodilatador se definió como un aumento del Volumen Espiratorio Forzado al primer segundo (FEV1) en la prueba post broncodilatador igual o superior a 200ml (l2%). Se determinaron los valores de FEV1 y Capacidad Vital Forzada (FVC) y su relación después de la prueba broncodilatadora. La gravedad de la limitación del flujo de aire (patrón obstructivo) se calificó de acuerdo con las categorías GOLD (Koo et al. 2014).

Obtención de muestras. Las muestras de aliento exhalado se tomaron en bolsas Tedlar de 1L previamente purgadas con nitrógeno, por duplicado en los tres grupos de estudio, bajo criterios estandarizados (ayuno de 8 horas, realizando enjuague bucal con agua y sin toma de medicamentos). Al grupo PIE se les pidió muestra de orina para la determinación de 1-hidroxipireno indicando la exposición a Hidrocarburos Aromáticos Policícli-cos (HAPs). Todas las muestras se transportaron a 4°C y se almacenaron a -40°C hasta su análisis.

Análisis metabolómico del aliento exhaladoSe utilizó un cromatógrafo de gases ultrarrápido con detector de nariz electrónica modelo HERACLES II (Alpha MOS) el cual cuenta con dos columnas de diferentes polaridades, dos detectores de ionización por flama (MXT-5-FID1 y MXT-1701-FID2) y una trampa de pre-concentración para aumentar la sensibilidad de la respuesta de los metabolitos. La caracterización de los compuestos químicos se basó en los índices de Kovats. De cada bolsa se tomó una muestra de 40 mL de aliento en un vial herméticamente sellado, posteriormente se incubó durante 900s a una temperatura de 40°C con una agitación de 500 rpm, y se inyectó por la técnica de espacio de cabeza en el cromatógrafo de gases con detector de nariz electrónica.

C uantificación de 1-hidroxipireno (1-oHP) Es un metabolito del benzo (a)pirenocompuesto representativo de los HAPs en muestras de orina. Para cuantificación de 1-OHP se utilizó un HPLC Agilent 1260 con detector de fluorescencia.

Resultados

El estudio se conformó por 142 participantes, de los cuales 44 presentan EPOC asociado a la quema de biomasa (Edad: 68,41 ± 6.88 años; FEV1=54,6 ± 13,45; FEV1/FCV=58,10 ± 9,82) de los cuales 56,81% eran mujeres y 43,18% hombres con una exposición de 229,5 ± 68,53 horas/leña, 60 sujetos sin afecciones pulmonares que conforman el grupo control (Edad= 6 años, FEV1= 89,35 ± 9,73, FEV1/FCV=84,12 ± 4,90) de los cuales 66,7% eran mujeres y 33,3% hombres y 38 pertenecen al grupo de Población Indígena Expuesta a la quema de biomasa (PIE) (Edad= 52.5 ± 7.18 años; FEV1 = 82,93 ± 16,7; FEV1/FCV= 78 ± 5,27) de los cuales 71,1% eran mujeres y 28,9% hombres.

Se identificaron un total 59 compuestos orgánicos volátiles (COVs) en las muestras de aliento exhalado de los grupos de estudio, los cuales se utilizaron para establecer un modelo de discriminación entre la huella química del grupo de pacientes con EPOC y el grupo control. Al respecto, nuestros resultados concuerdan con Rodríguez et al. (2019, 2020) y Dragonieri et. al. (2009), ya que el CAP logró la separación del grupo de pacientes con EPOC de los sujetos sanos con una r2=0,80 indicando la asociación del eje CAP1 con los COVs, con un 91,34% de una correcta clasificación (Figura 1).

Figura 1: Análisis Canónico de Coordenadas Principales de pacientes con EPOC vs Sanos. 

Con los valores obtenidos de la huella química del modelo del CAP a través del eje CAP1, se estableció el punto de corte de 0,021, el cual proporcionó una sensibilidad de 932% (IC 84,1-98,9%) y una especificidad del 96,7% (IC 90-100%), con un área bajo la curva de 0,89 a través de la curva ROC. Asimismo, se obtuvo un box-plot donde se observa el comportamiento de las huellas químicas de cada paciente, así como el punto de corte obtenido en la curva ROC (Figura 2).

Figura 2: Gráficos de evaluación de la sensibilidad y especificidad obtenida en el modelo realizado con muestras de aliento exhalado. a) Curva ROC con un intervalo de confianza del 95%. b) Box-plot de la distribución de las muestras en el eje CAP1 de pacientes con EPOC y CONTROL, indicando con una línea de color rojo el punto de corte donde se obtiene la mejor relación entre la sensibilidad y especificidad. 

Los metabolitos encontrados en los PIE permitieron identificar mediante la huella química la predicción de 17 participantes con alto riesgo de padecer EPOC en base al modelo CAP obtenido de EPOC (Figura 3). Asimismo, se determinó el nivel de exposición a HAPs por medio de la determinación de 1-hidroxipiereno de cada participante del PIE y la función pulmonar por medio del espirómetro (Tabla 1).

Figura 3: CAP de pacientes con EPOC vs Sanos con Predicción de población indígena expuesta (PIE) a la quema de biomasa. 

Tabla 1: Determinaciones de la exposición y función pulmonar de la PIE. 

Discusión

En el presente estudio se demostró la utilidad de la nariz electrónica para identificar la huella química del aliento exhalado de pacientes con EPOC y sujetos sanos. La principal aportación de nuestro estudio se basa en el uso de un modelo de predicción de EPOC, utilizado en población vulnerable expuesta a la quema de biomasa. Las evaluaciones más estudiadas de las huellas químicas en el aliento exhalado se han realizado en pacientes con enfermedades respiratorias principalmente cáncer de pulmón y EPOC. En este sentido, un estudio de Poli et al.(2005) mostró una discriminación entre las huellas químicas de pacientes con cáncer de pulmón del 72,2% (n=36) y del 82,7% para pacientes con EPOC (n=25) con una sensibilidad y especificidad del 72 y 93,6% respectivamente, mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (Poli et al. 2005). Asimismo Jareño et al. en el 2016, observaron que no existían diferencias estadísticamente significativas entre el gurpo de pacientes con EPOC y el grupo control, además de que no encontraron relación entre la detección de COVs con la edad y el género, lo que concuerda con nuestros resultados.

En un estudio de Chen et al. (2013), analizaron los COVs presentes en el aliento exhalado de 18 pacientes con EPOC y 10 controles de la misma edad y características biométricas, el estudio de los patrones de COVs permitió reconocer correctamente a todos los pacientes con EPOC y a 8 de 10 de los controles, lo que representaba una sensibilidad del 100% y una especificidad del 92% en el diagnóstico de la enfermedad, en comparación con nuestro estudio se conformó por 142 participantes, de los cuales 44 presentaban EPOC asociado a la quema de biomasa,60 sujetos sin afecciones pulmonares que conforman el grupo control, el modelo CAP indicó una separación entre las huellas químicas de un mayor número de pacientes con EPOC y sujetos sanos, obteniendo una correcta predicción de 91,34%, con una sensibilidad y especificidad de 93,2 y 96,7% respectivamente. Asimismo, se logró establecer un modelo de discriminación entre la huella química del grupo de pacientes con EPOC y el grupo control.

Donaire et al. (2005), estudiaron 12 pacientes con agudizaciones de la EPOC (AEPOC), 18 pacientes con EPOC estable y 10 controles con función pulmonar normal, los resultados del estudio de los patrones de COVs permitió reconocer correctamente 11 de 12 de los pacientes con AEPOC (91%), 18 de los 18 pacientes con EPOC (100%) y 8 de 10 de los controles (80%). En los casos donde no se pudo reconocer ningún patrón de COVs (8%), el sujeto era fumador activo, en nuestros resultados pudimos observar que los metabolitos encontrados en la PIE (38 participantes que pertenecían al grupo de Población Indígena Expuesta a la quema de bio-masa) permitieron identificar mediante la huella química la predicción de 17 participantes con alto riesgo de padecer EPOC, asimismo, la evaluación pulmonar mediante espirometría indicó que 10 de los participantes tenían un nivel de obstrucción leve y moderado, mientras que 4 de los 17 participantes con huella metabólica característica de un paciente con EPOC tenía un bajo FEV1 y FVC sin aun ser obstructivo. Los últimos 3 participantes no fue concluyente su espirometría. Estos datos se obtuvieron en varias sesiones de la prueba espirométrica, ya que la prueba fue compleja para poder tener resultados valorables además de la diferencia de lenguaje que no lograron realizar las maniobras de una manera eficiente.

En cuanto a la exposición de las poblaciones indígena a los HAPs se evaluó la concentración del metabolito de 1-hidroxipireno (1-OHP), determinando que existe una concentración del 1,31 ± 0,67 pg/mol de creatinina. Esta concentración se encuentra más de 5 veces arriba de los valores de referencia establecidos en el 2001, que es de 0,24 pg/mol de creatinina. No obstante, no se encontró una correlación significativa entre los valores espirométricos (FEV1, FEV1/FVC) y la concentración de 1-OHP determinadas, por lo que indica que este metabolito no está asociado a la EPOC. Sin embargo, se sugiere identificar otros metabolitos de los HAPs como el fenantreno que se ha sugerido que tiene esta asociación inversa con el daño pulmonar (^{Zelikoff et al. 2002}).

Conclusión

Se demostró la exposición y efecto por neumo-tóxicos en población indígena de San Luis Potosí. Se logró obtener un diagnóstico oportuno en población vulnerable mediante el uso de la metabolómica, además se estableció una huella química de los pacientes con EPOC y sujetos sanos. Demostrando así, que los COVs encontrados en el aliento exhalado están relacionados con el estrés oxidativo que producen estas enfermedades, incluyendo aquellos que se producen para contrarrestar el efecto, así como, el incremento de ciertas enzimas específicas de la enfermedad. Sin embargo, se consideró que se necesita incrementar el número de participantes para obtener una huella metabolómica más compleja y de mayor certidumbre, finalmente se considera que ésta huella metabolómica puede ser utilizada como monitoreo de la enfermedad en sujetos en riesgo (fumadores, población expuesta a neumotóxicos, entre otros).

Agradecimientos. Los autores agradecen la contribución de la investigación a todos los participantes de la comunidad de Tocoy, San Antonio, S.L.P

Recibido: 27/04/2022

Aceptado: 15/06/2022