Highly sensitive multiplex assay of interleukins in exhaled breath condensate from children with bronchial asthma: diagnostic significance of IL-13 and IL-17A

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Interleukins play a key role in development of bronchial asthma endotypes, thus determining individual clinical course of the disease and the efficiency of therapy. Exhaled breath condensate (EBC) represents a promising non-invasive biomaterial for assessing local airway inflammation in asthma. Only limited data exist on the opportunity of cytokines detection in EBC of pediatric patients. The aim of our study was to assess the opportunity of detection and diagnostic significance of IL-4, IL-5, IL-13, and IL-17A in EBC of children with asthma using high-sensitivity multiplex analysis. The study included 169 children aged 6-17 years (104 with asthma and 65 healthy controls). EBC was collected using RTube (Respiratory Research, USA), samples were concentrated, and interleukin levels were determined by multiplex analysis on the MAGPIX (Luminex, USA) platform. Analysis of interleukins in exhaled air condensate showed that children with bronchial asthma exhibit statistically significant changes compared to the control group. Children with asthma showed significantly increased detection rates of IL-13 (53.9% vs 30.8%, p = 0.003) and IL-17A (57.7% vs 27.7%, p = 0.001) compared to controls. The detection frequency of these cytokines progressively increased with disease severity, reaching 72.7% for IL-13 and 63.6% for IL-17A in severe asthma. Our results demonstrate the possibility of detecting key cytokines in exhaled air condensate in children with bronchial asthma using highly sensitive multiplex analysis after prior concentration of samples. Detection of IL-13 and IL-17A in EBC can be considered a potential non-invasive biomarker of asthma severity in children. However, further studies with larger patient populations and standard sample concentration technique are required for clinical implementation of the method. These data demonstrate a promise for usage of EBC for non-invasive assessment of local airway inflammation in children with bronchial asthma.

About the authors

M. V. Smolnikova

Research Institute of Medical Problems of the North, Krasnoyarsk Research Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: smarinv@yandex.ru

PhD (Biology), Head, Molecular Genetic Research Group, Leading Researcher

Russian Federation, Krasnoyarsk

N. N. Gorbacheva

Research Institute of Medical Problems of the North, Krasnoyarsk Research Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: smarinv@yandex.ru

Senior Researcher, Clinical Department of Somatic and Mental Health of Children

Russian Federation, Krasnoyarsk

S. Yu. Tereshchenko

Research Institute of Medical Problems of the North, Krasnoyarsk Research Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: smarinv@yandex.ru

PhD, MD (Medicine), Professor, Head, Clinical Department of Somatic and Mental Health of Children

Russian Federation, Krasnoyarsk

References

  1. Сидоренко Г.И., Зборовский Э.И., Левина Д.И. Поверхностно-активные свойства конденсата выдыхаемого воздуха (новый способ исследования функций легких) // Терапевтический архив, 1980. Т. 53, № 3. С. 65-68. [Sidorenko G.I., Zborovskiĭ E.I., Levina D.I. Surface-active properties of the exhaled air condensate (a new method of studying lung function). Terapevticheskiy arkhiv = Therapeutic Archive, 1980, Vol. 52, no. 3, pp. 65-68. (In Russ.)]
  2. Global Asthma Report 2021. Global Asthma Network. Available at: https://ginasthma.org/wp-content/uploads/2021/05/GINA-Main-Report-2021-V2-WMS.pdf.
  3. Hao W., Li M., Zhang C., Zhang Y., Wang P. Inflammatory mediators in exhaled breath condensate and peripheral blood of healthy donors and stable COPD patients. Immunopharmacol. Immunotoxicol., 2019, Vol. 41, no. 2, pp. 224-230.
  4. Horváth I., Hunt J., Barnes P.J., Alving K., Antczak A., Baraldi E., Becher G., Van Beurden W.J., Corradi M., Dekhuijzen R., Dweik R.A., Dwyer T., Effros R., Erzurum S., Gaston B., Gessner C., Greening A., Ho L.P., Hohlfeld J., Jöbsis Q., Laskowski D., Loukides S., Marlin D., Montuschi P., Olin A.C., Redington A.E., Reinhold P., van Rensen E.L., Rubinstein I., Silkoff P., Toren K., Vass G., Vogelberg C., Wirtz H. Exhaled breath condensate: methodological recommendations and unresolved questions. Eur. Respir. J., 2005, Vol. 26, no. 3, pp. 523-548.
  5. Kasule G.W., Hermans S., Semugenze D., Wekiya E., Nsubuga J., Mwachan P., Kabugo J., Joloba M., García-Basteiro A.L., Ssengooba W. Non-sputum-based samples and biomarkers for detection of Mycobacterium tuberculosis: the hope to improve childhood and HIV-associated tuberculosis diagnosis. Eur J. Med. Res., 2024, Vol. 29, no. 1, 502. doi: 10.1186/s40001-024-02092-z.
  6. Kita K., Gawinowska M., Chełmińska M., Niedoszytko M. The Role of Exhaled Breath Condensate in Chronic Inflammatory and Neoplastic Diseases of the Respiratory Tract. Int J. Mol Sci., 2024, Vol. 25, no. 13, 7395. doi: 10.3390/ijms25137395.
  7. Maison N., Omony J., Illi S., Thiele D., Skevaki C., Dittrich A.M., Bahmer T., Rabe K.F., Weckmann M., Happle C., Schaub B., Meyer M., Foth S., Rietschel E., Renz H., Hansen G., Kopp M.V., Von Mutius E., Grychtol R., Fuchs O., Roesler B., Welchering N., Kohistani-Greif N., Kurz J., Landgraf-Rauf K., Laubhahn K., Liebl C., Ege M., Hose A., Zeitlmann E., Berbig M., Marzi C., Schauberger C., Zissler U., Schmidt-Weber C., Ricklefs I., Diekmann G., Liboschik L., Voigt G., Sultansei L., Nissen G., König I.R., Kirsten A.M., Pedersen F., Watz H., Waschki B., Herzmann C., Abdo M., Biller H., Gaede K.I., Bovermann X., Steinmetz A., Husstedt B.L., Nitsche C., Veith V., Szewczyk M., Brinkmann F., Malik A., Schwerk N., Dopfer C., Price M., Jirmo A.C., Habener A., Deluca D.S., Gaedcke S., Liu B., Calveron M.R., Weber S., Schildberg T., Van Koningsbruggen-Rietschel S., Alcazar M. T2-high asthma phenotypes across lifespan. Eur. Respir. J., 2022, Vol. 60, no. 3, 2102288. doi: 10.1183/13993003.02288-2021.
  8. Montesi S.B., Mathai S.K., Brenner L.N., Gorshkova I.A., Berdyshev E.V., Tager A.M., Shea B.S. Docosatetraenoyl LPA is elevated in exhaled breath condensate in idiopathic pulmonary fibrosis. BMC Pulm. Med., 2014, Vol. 14, 5. doi: 10.1186/1471-2466-14-5.
  9. Nessen E., Toussaint B., Israëls J., Brinkman P., Maitland-Van Der Zee A.H., Haarman E. The non-invasive detection of pulmonary exacerbations in disorders of mucociliary clearance with breath analysis: a systematic review. J. Clin Med., 2024, Vol. 13, no. 12, 3372. doi: 10.3390/jcm13123372.
  10. Pleil J.D., Wallace M.A.G., Madden M.C. Exhaled breath aerosol (EBA): the simplest non-invasive medium for public health and occupational exposure biomonitoring. J. Breath Res., 2018, Vol. 12, no. 2, 027110. doi: 10.1088/1752-7163/aa9855.
  11. Steinke J.W., Lawrence M.G., Teague W.G., Braciale T.J., Patrie J.T., Borish L. Bronchoalveolar lavage cytokine patterns in children with severe neutrophilic and paucigranulocytic asthma. J. Allergy Clin. Immunol., 2021, Vol. 147, no. 2, pp. 686-693.
  12. Stiegel M.A., Pleil J.D., Sobus J.R., Morgan M.K., Madden M.C. Analysis of inflammatory cytokines in human blood, breath condensate, and urine using a multiplex immunoassay platform. Biomarkers, 2015, Vol. 20, no. 1, pp. 35-46.
  13. Szunerits S., Dörfler H., Pagneux Q., Daniel J., Wadekar S., Woitrain E., Ladage D., Montaigne D., Boukherroub R. Exhaled breath condensate as bioanalyte: from collection considerations to biomarker sensing. J. Anal. Bioanal. Chem., 2023, Vol. 415, no. 1, pp. 27-34.
  14. Thomas P.S., Lowe A.J., Samarasinghe P., Lodge C.J., Huang Y., Abramson M.J., Dharmage S.C., Jaffe A. Exhaled breath condensate in pediatric asthma: promising new advance or pouring cold water on a lot of hot air? A systematic review. J. Pediatr. Pulmonol., 2013, Vol. 48, no. 5, pp. 419-442.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Smolnikova M.V., Gorbacheva N.N., Tereshchenko S.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».