Nové nanosensorové pole pro detekci těkavých biomarkerů z kůže u roztroušené sklerózy (Nano-Skin-MS)

DOSAVADNÍ STAV TECHNIKY Roztroušená skleróza (RS) je nejčastější chronické neurologické onemocnění postihující mladé dospělé, s nástupem obvykle ve věku 20-40 let. Onemocnění je charakterizováno dvěma hlavními fenotypy: Relaps-Remitující RS (RR-MS) a Primárně progresivní RS (PP-MS). RR-MS je nejčastějším typem onemocnění, pro dlouhodobou léčbu onemocnění jsou pacienti léčeni imunomodulačními léky (IMD), které snižují aktivitu onemocnění. Odpověď na terapii se u pacientů liší. V současné době nejsou k dispozici žádné biomarkery pro diagnostiku a rutinní sledování RS. Oligoklonální IgG v mozkomíšním moku – které pomáhají potvrdit diagnózu, vyžadují invazivní postup a nekorelují s aktivitou onemocnění ani odpovědí na terapii a MRI, která umožňuje sledování aktivity RS a její léčbu, jsou příliš drahé na to, aby byly rutinně používány. Kromě toho jsou pacienti s RR-MS pod značným stresem, protože epizoda relapsu se může objevit okamžitě bez rozpoznaných varovných příznaků. Pokud lze identifikovat biomarkery související s relapsem, mohl by být vyvinut potenciální predikční test, který nakonec může umožnit řádné lékařské protiopatření před eskalací relapsu. Kromě toho by včasná diagnóza RS a předpověď relapsu snížila míru akumulace invalidity a ušetřila dny hospitalizace.

Zde výzkumníci navrhují: dále prozkoumat schopnost jednoduché a přenosné snímací technologie předpovídat a monitorovat MS z těkavých vzorků. Technologie, která byla vyvinuta v laboratoři prof. Hossama Haicka, prokázala potenciál pro diagnostiku řady zdravotních stavů, jako jsou malignity, infekční a neurologická onemocnění, včetně dvou klinických studií o RS (Broza et al 2017; Broza et al. 2015; Ionescu a kol. 2011; Nakhleh a kol. 2017 a Peng a kol. 2009). Tento přístup se opírá o skutečnost, že buněčná membrána sestává primárně z amfipatických fosfolipidů, sacharidů a mnoha integrálních membránových proteinů, které se liší pro různé typy buněk. Při chorobných procesech procházejí buňky strukturálními změnami, které mohou vést k oxidativnímu stresu, tj. peroxidaci buněčné membrány, která způsobuje uvolňování těkavých organických sloučenin (VOC). Některé z těchto VOC se objevují ve výrazně odlišných složeních směsi v závislosti na tom, zda je buňka zdravá nebo ne. Předpokládá se, že oxidační stres u RS přispívá k poškození tkáně u fokálních zánětlivých lézí a podílí se na difúzní axonální degeneraci a demyelinizaci (Gilgun-Sherki et al 2004). Na tomto přístupu je zvláště významné to, že každý typ onemocnění má svůj vlastní jedinečný vzorec VOC, a proto přítomnost jednoho onemocnění obecně neskrínuje jiné typy onemocnění. Tyto VOC lze detekovat přímo z různých tělesných tekutin jako je vydechovaný dech nebo kůže. V určitých případech nabízí analýza dechu a kůže několik potenciálních výhod: (a) vzorky dechu/kůže jsou neinvazivní a lze je snadno získat; (b) dech/kůže obsahuje méně komplikované směsi než sérum nebo moč; a (c) dechové/kožní testování má potenciál pro monitorování v reálném čase. NA-NOSE provádí detekci zápachu pomocí široce zkříženě reaktivních senzorů ve spojení s metodami rozpoznávání vzorů (Broza et al 2017; Peng et al 2009). Na rozdíl od přístupu „zámek a klíč“ je každý senzor v NA-NOSE široce citlivý na různé odoranty. To zvyšuje rozmanitost sloučenin, na které je citlivých mnoho různých senzorů, což umožňuje analýzy biomarkerů v komplexních vícesložkových médiích.

CÍLE VÝZKUMU A OČEKÁVANÝ VÝZNAM

Včasná cílená léčba u epizod relapsu je klíčová, ale dostatečné nástroje pro predikci a identifikaci časných příznaků nadcházející epizody relapsu nejsou k dispozici. Výzkumníci nedávno prokázali, že VOC z dechu lze použít ke klasifikaci mezi pacienty s RS a pacienty bez RS (Broža et al 2017). Hlavním cílem současného návrhu je navázat na tento nedávný úspěch a otestovat věrohodnost kožní analýzy VOC pro poskytování doplňkových informací týkajících se potenciálních biomarkerů typu onemocnění (RR-MS a PP-MS), jakož i monitorování aktivita onemocnění a konkrétně predikce epizody relapsu u pacientů s RS. Cíle projektu budou splněny následujícími konkrétními cíli:

Cíl 1: Studovat věrohodnost VOC na kůži jako biomarkerů pro diagnostiku RS. V této části vyšetřovatelé 1) použijí dříve vyvinutou metodiku pro odběr vzorků kůže VOC a upraví ji pro pacienty s RS (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) K určení specifičnosti nálezů budou vyšetřovatelé dále testovat rozdíl v profilech VOC mezi pacienty s RS a pacienty bez RS (zdravé kontroly) pomocí senzorové technologie a/nebo hmotnostní spektrometrie s plynovou chromatografií (GC-MS) (součást který bude plánován pro navazující studium). Tam, kde je to možné, bude provedena dílčí analýza k detekci rozdílů VOC na kůži mezi pacienty s RR-MS a SP-MS a PP-MS Na základě výsledku prvního kroku, který určí těkavé změny mezi RS a zdravými kontrolami z kůže vyšetřovatelé vyhodnotí věrohodnost zahrnutí dalších skupin populace bez RS, jako jsou pacienti s jinými autoimunitními nebo jinými neurologickými onemocněními. Pokud ano, bude předložen příslušný pozměňovací návrh.

Cíl 2: Identifikovat a charakterizovat VOC na kůži jako biomarkery klinického relapsu a aktivity onemocnění měřením a analýzou profilu VOC během relapsu a remise. Na základě výsledku prvního kroku vyšetřovatelé otestují schopnost kožního testu VOC monitorovat jemné změny v metabolitech, které mohou naznačovat zahájení, progresi a ukončení epizody relapsu. Toho bude dosaženo pomocí senzorové a/nebo GC-MS analýzy pro identifikaci potenciální změny v biomarkerech během relapsu. V následné studii mají výzkumníci v úmyslu vyhodnotit relaps vs "pseudorelaps".

Očekávaný význam, navrhovaná studie by mohla mít velký dopad na lékařskou péči a pohodu pacientů s RS. Včasná diagnostika a predikce aktivity onemocnění umožní včasnou a na míru šitou terapeutickou intervenci, prevenci ireverzibilního neurologického poškození a související akumulaci postižení a zároveň sníží náklady na léčbu. Projekt bude navíc důležitým krokem v aplikaci nanosenzorů pro detekci biomarkerů v lékařském výzkumu a praxi teranostiky (terapie založená na diagnóze) směrem k implementaci Precision Medicine.

STUDIJNÍ PLÁN Odběr vzorků Těkavé organické látky související s kůží by byly odebírány pomocí polydimethylsiloxanových (PDMS) náplastí z různých míst těla pro senzory a/nebo analýzu GC-MS. Absorpční materiály budou připevněny ke kůži na různých místech (paže/ruka nebo hrudník nebo čelo), po očištění pokožky tampónem s alkoholem a čistou vodou. Náplasti se překryjí hliníkovou fólií a zalepí lékařskou lepicí páskou až na hodinu. Pokaždé budou odebrány celkem 2-4 silikonové náplasti pro každého pacienta. Vzorky odebrané na PDMS budou přeneseny do skleněných lahviček a skladovány při teplotě do 4 ˚C, dokud nebudou odeslány do Technionu k analýze NA-NOSE a GC-MS. Všechny odebrané vzorky budou kódovány. Odezva signálu senzorů bude vyhodnocena tak, aby odpovídaly nejlepším senzorům pro vzorek. GC-MS poskytne počáteční informace o průměrném kožním profilu RS a kontroly a vyhodnotí potřebu mírné úpravy postupu odběru vzorků (např. doby odběru vzorků).

Statistika Specifické vzory a prediktivní modely pro studované MS podmínky budou odvozeny z výstupu senzorového pole pomocí pokročilých metod rozpoznávání vzorů, jako je analýza diskriminační funkce (DFA), analýza hlavních komponent (PCA), neuronové sítě (NN) a podobně. Statistická významnost výsledků bude stanovena pomocí parametrických nebo a-parametrických testů, jako je Studentův T test, Man Whitney nebo párová analýza. Hodnoty p<0,05 budou považovány za významné.