Nanoteknologi til påvisning af multipel sklerose sammenlignet med autoimmune og neurologiske sygdomme ved udåndede prøver

MS er den mest almindelige kroniske neurologiske sygdom, der rammer unge voksne, og debuterer normalt i alderen 20-40 år. Kvinder rammes 3-4 gange mere end mænd. Det er en kompleks multifaktoriel sygdom med underliggende både genetiske og miljømæssige faktorer. Forskellige populationer har forskellig modtagelighed (Compston og Coles 2008).

Sygdommen er karakteriseret ved 2 hovedfænotyper: recidiverende-remitterende eller progressivt forløb. Klinisk funktionsnedsættelse skyldes ødelæggelse af CNS myelin (hovedsageligt oligodendrocytter) på grund af 3 processer (Franklin 2002; Franklin og Ffrench-Constant 2008; Frischer, Bramow et al. 2009):

1. Inflammation - immunceller med afvigende aktivitet invaderer hjernen og rygmarven og forårsager ødelæggelse af CNS myelin (en proces kaldet demyelinisering og sekundær neurodegeneration - aksonalt og neuronalt tab)
2. Primær neurodegeneration (aksonalt og neuronalt tab) - uden fremtrædende inflammation

3. Reparation - de inflammatoriske og neurodegenerative processer efterfølges af et forsøg fra CNS på at reparere - denne delvise og ufuldstændige reparation er dog ofte grundlaget for resterende mangler og handicap (Chandran, Hunt et al. 2008).

   • Det akutte MS-tilbagefald (fremstillet som lammelse, synstab osv.) - anses for at skyldes en afvigende akut immunaktivering og inflammatorisk proces i CNS.
   • Det kronisk akkumulerende handicap - anses for at skyldes den neurodegenerative proces.

Reparationsprocesser noteres hovedsageligt efter det akutte tilbagefald - og genopretning af funktion kan være spontant. Men ved alvorlige tilbagefald er der nogle gange behov for STEROIDBEHANDLING (Tischner og Reichardt 2007).

Efter den øgede forståelse af sygdommen blev der udviklet nye immunterapier (COPAXON /; Interferon-beta) inden for de sidste 10-15 år til langtidsbehandling. Disse kan dog svække sygdommen (reducere antallet af tilbagefald om året), men helbreder den ikke. Derudover er de gavnlige hos kun ~40 % af de tilbagevendende-remitterende patienter. I øjeblikket er der ingen behandlinger til patienter med den progressive sygdom - som har gradvist øget handicap (Murray 2006).

I øjeblikket er der ingen tilgængelige biomarkører til diagnosticering og rutinemæssig opfølgning af MS. Oligoklonal IgG i CSF - som hjælper med at bekræfte diagnosen, kræver en invasiv procedure og er ikke korreleret med sygdomsaktivitet eller respons på terapi; og MR, som tillader overvågning af MS-aktivitet og respons på behandling, er for dyrt til rutinemæssig brug (Link og Huang 2006; Murray 2006).

Dr. Hossam Haick fra Technion udviklede en elektronisk næse til diagnosticering af sygdomme via udåndingsprøver. Dr. Haicks tidligere undersøgelser har vist, at en elektronisk næse baseret på guld-nanopartikler kunne danne grundlag for et billigt og ikke-invasivt diagnostisk værktøj til lungekræft (Peng, Tisch et al. 2009) og nyresygdomme (Haick, Hakim et al. 2009) ).

Forskningshypotese Biomarkører for CNS-inflammation og/eller neurodegeneration og/eller CNS-reparation kan påvises af den "elektroniske næse" i udåndingsprøver fra personer med MS.

Mål

Identifikation af biomarkører for:

1. CNS-inflammation og CNS-autoimmunitet
2. Neurodegeneration

3. CNS reparation

   • der kan tjene som markører for: sygdom (vs. kontroller), sygdomsaktivitet (forudsige aggressivt sygdomsforløb, forudsige tilbagefald; forudsige ondartet vs godartet MS); respons på terapi (steroider, immunterapier eller neurobeskyttende midler).

Oversigt over arbejdsplan:

Evaluer nogle få grupper klinisk:

• MS-patienter ved akut tilbagefald før - vs- efter 7,30 og 90 dages steroidbehandling - for at vurdere indikatorer for den akutte inflammatoriske proces og for virkningerne af steroidbehandling.
• Residiverende MS-patienter vs Progressive MS-patienter vs kontroller, som omfatter raske individer såvel som patienter, der lider af andre neurologiske og autoimmune sygdomme end MS - for at vurdere inflammatoriske vs neurodegenerative indikatorer.
• MS-patienter, der er gode vs dårlige - reagerer på immunterapi eller steroider.

ÅNDE OPSAMLING:

Alveolært ånde fra de frivillige opsamles ved hjælp af en "offline"-metode, der effektivt adskiller de endogene fra de eksogene flygtige biomarkører fra åndedrættet og udelukker den nasale medrivning. To poser med 750 ml udåndingsprøver pr. frivillig samles i inerte Mylar-poser (Eco Medics, Duerten, Schweiz). Dampprøvetagning blev udført ved forlænget udåndingsprøvetagning i opsamlingsapparatet i 15-20 minutter med flere stop under denne proces. De første tre minutter af udåndingsprøvetagning kasseres på grund af den mulige kontaminering af den øvre luftvej. Den efterfølgende dybe luft tilbageholdes til testformål. Prøverne opsamles med et rør, der blev indført i den frivilliges mund og forbundet til opsamlingsposen. Alle deltagere giver et underskrevet informeret samtykke til denne undersøgelse, som udføres efter godkendelse og i henhold til retningslinjerne fra Helsinki-komiteen for Carmel Medical Center og Technions udvalg for tilsyn med eksperimenter på mennesker.

KEMISK ANALYSE AF ÅNDEPRØVERNE:

Gaskromatografi/massespektrometri (GCMS-QP2010; Shimadzu Corporation, Japan), kombineret med et termisk desorptionssystem (TD20; Shimadzu Corporation, Japan), bruges til den kemiske analyse af udåndingsprøverne. Et Tenax® TA adsorbentrør (Sigma Aldrich Ltd.) bruges til at prækoncentrere VOC'erne i udåndingsprøverne. Ved hjælp af et specialfremstillet pumpesystem suges udåndingsprøverne fra Mylar-poserne op gennem TA-røret med 100 ml/min flowhastighed og overføres derefter til et termisk desorptionsrør (Sigma Aldrich Ltd.), før de analyseres. af GC-MS. Følgende ovntemperaturprofil blev indstillet: (a) 10 minutter ved 35°C; (b) 4°C/min rampe indtil 150°C; (c) 10°C/min rampe indtil 300°C; og (d) 15 minutter ved 300°C. En SLB-5ms kapillarsøjle (Sigma Aldrich Ltd.) med 5% phenylmethylsiloxan (30 m længde, 0,25 mm indvendig diameter og 0,5 μm tykkelse) anvendes. Den splitfrie injektionstilstand bruges i 2 minutter, ved 30 cm/sek. konstant lineær hastighed og 0,70 ml/min kolonnestrøm. VOC'ernes molekylære strukturer bestemmes via det modulære standardsæt under anvendelse af 10 ppm isobutylen (Calgaz, Cambridge, Maryland, USA) som standard kalibreringsgas under hver kørsel. GC-MS kromatogramanalyse er realiseret ved hjælp af GCMS-løsninger version 2.53SU1 post-run analyseprogram (Shimadzu Corporation), der anvender National Institute of Standards and Technology (NIST) forbindelsers bibliotek (Gaithersburg, MD 20899-1070, USA).

FØLEMÅL:

Ved interaktion mellem udåndingsprøverne og detektoren adsorberes de flygtige organiske forbindelser ind i den organiske del af detektormaterialet. Resultatet af denne adsorption oversættes til et elektrisk signal (modstand), der transmitteres til makroverdenen (f.eks. skærmen) af enheden) gennem det (halv-)ledende materiale, der findes i den samme film. Resultaterne præsenteres derefter på computerens skærm.

Et automatiseret system styret af et brugerdefineret LabView (National Instruments) program bruges til at udføre detekteringsmålingerne. Sensorerne testes samtidigt i samme eksponeringskammer ved hjælp af en Agilent 34980A multifunktionskontakt. En Stanford Research System SR830 DSP lock-in forstærker styret af en IEEE 488 bus bruges til at levere AC spændingssignalet (0,2 V ved 1 kHz) og til at måle den tilsvarende strøm (<10μA i de undersøgte enheder). Denne opsætning giver mulighed for at måle normaliserede ændringer i konduktans så små som 0,01 %. Sensormodstand blev kontinuerligt erhvervet under eksperimenterne. Sensoreksperimenter blev kontinuerligt udført ved hjælp af efterfølgende eksponeringscyklusser (se SOI, afsnit 2).

DATAANALYSE:

Har ekstraktion. Til VOC-analyse ekstraheres tre parametre fra hver sensorrespons: (i) den normaliserede ændring af sensormodstanden i midten af ​​eksponeringen (S1); (ii) den normaliserede ændring af sensormodstand ved slutningen af ​​eksponeringen (S2); og (iii) arealet under responskurven (S3). S1 og S2 beregnes med hensyn til værdien af ​​sensormodstand før eksponeringen. Til udåndingsanalyse ekstraheres to parametre fra hver sensorrespons (enten til kontrol VOC eller til hver frigivelse af udåndingsprøve): (i) den normaliserede ændring af sensorens modstand kort efter eksponeringen (S4); og (ii) den normaliserede ændring af sensormodstanden i midten af ​​eksponeringen (S5). S4 og S5 beregnes med hensyn til værdien af ​​sensormodstand før eksponeringen. En kompensations- og kalibreringsproces anvendes bagtil på disse parametre for at tilbageholde fra sensorresponser kun den information, der er relateret til deres respons på VOC'erne fra udåndingsprøverne. Middelværdierne af parametrene opnået over de to på hinanden følgende eksponeringer for den samme prøve beregnes derefter.