Nyt nanosensorarray til påvisning af flygtige biomarkører fra hud ved multipel sklerose (Nano-Skin-MS)

BAGGRUND Multipel sklerose (MS) er den mest almindelige kroniske neurologiske sygdom, der rammer unge voksne, med debut sædvanligvis i alderen 20-40 år. Sygdommen er karakteriseret ved to hovedfænotyper: Relapse-Remitting MS (RR-MS) og Primary Progressive MS (PP-MS). RR-MS er den mest almindelige sygdomstype, for langtidsbehandling af sygdommen behandles patienter med immunmodulerende lægemidler (IMD), som reducerer sygdomsaktiviteten. Respons på terapi varierer blandt patienter. 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 ikke er korreleret med sygdomsaktivitet eller respons på terapi og MR, som tillader overvågning af MS-aktivitet og dens behandling, er for dyrt til at blive brugt rutinemæssigt. Desuden er RR-MS-patienter under betydelig stress, da tilbagefaldsepisoden kan optræde øjeblikkeligt uden genkendt advarselstegn. Hvis tilbagefaldsrelaterede biomarkører kan identificeres, kan der udvikles en potentiel forudsigelsestest, som i sidste ende kan tillade en passende medicinsk modhandling, før tilbagefald eskalerer. Derudover vil tidlig diagnose af MS og forudsigelse af tilbagefald reducere hastigheden af ​​akkumulering af invaliditet og spare indlæggelsesdage.

Her foreslår efterforskerne: Udforsk yderligere evnen af ​​en enkel og bærbar sensorteknologi til at forudsige og overvåge MS fra flygtige prøver. Teknologien, der er blevet udviklet i prof. Hossam Haicks laboratorium, har bevist potentiale til diagnostik af en række medicinske tilstande såsom malignitet, infektionssygdomme og neurologiske sygdomme, herunder to kliniske undersøgelser af MS (Broza et al. 2017; Broza et al. 2015; Ionescu et al 2011; Nakhleh et al 2017 og Peng et al 2009). Tilgangen bygger på det faktum, at cellemembranen primært består af amfipatiske fosfolipider, kulhydrater og mange integrerede membranproteiner, der er forskellige for forskellige celletyper. I sygdomsprocesser gennemgår celler strukturelle ændringer, der kan føre til oxidativt stress, det vil sige en peroxidation af cellemembranen, der forårsager, at flygtige organiske forbindelser (VOC'er) udsendes. Nogle af disse VOC'er optræder i markant forskellige blandingssammensætninger, afhængigt af om en celle er sund eller ej. Oxidativ stress i MS menes at bidrage til vævsskade i fokale inflammatoriske læsioner og at være involveret i diffus aksonal degeneration og demyelinisering (Gilgun-Sherki et al. 2004). Det, der er særligt vigtigt ved denne tilgang, er, at hver type sygdom har sit eget unikke mønster af VOC'er, og derfor vil tilstedeværelsen af ​​en sygdom generelt ikke screene andre sygdomstyper. Disse VOC'er kan påvises direkte fra forskellige kropsvæsker som udåndet ånde eller hud. I visse tilfælde giver åndedræts- og hudanalyse adskillige potentielle fordele: (a) åndedræts/hudprøver er ikke-invasive og nemme at opnå; (b) ånde\hud indeholder mindre komplicerede blandinger end enten serum eller urin; og (c) udåndings/hudtest har potentiale til overvågning i realtid. NA-NOSE udfører lugtdetektion ved hjælp af bredt krydsreaktive sensorer i forbindelse med mønstergenkendelsesmetoder (Broza et al 2017; Peng et al 2009). I modsætning til "lås og nøgle"-tilgangen reagerer hver sensor i NA-NOSE bredt på en række forskellige lugtstoffer. Dette øger mangfoldigheden af ​​forbindelser, som de mange forskellige sensorer er følsomme over for, og muliggør således analyser af biomarkører i komplekse multi-komponent medier.

FORSKNINGSMÅL OG FORVENTET BETYDNING

Tidlig målbehandling i tilbagefaldsepisoder er afgørende, men tilstrækkelige værktøjer til at forudsige og identificere tidlige symptomer på en kommende tilbagefaldsepisode er ikke tilgængelige. Forskerne har senest vist, at VOC'er i vejret kan bruges til at klassificere blandt MS- og ikke-MS-patienter (Broza et al 2017). Hovedformålet med det nuværende forslag er at følge op på denne nylige præstation og teste plausibiliteten af ​​hudbaseret VOC-analyse for at give supplerende information om potentielle biomarkører af sygdomstype (RR-MS og PP-MS) samt overvågning af sygdomsaktivitet og specifikt forudsigelse af tilbagefaldsepisode hos MS-patienter. Projektets mål vil blive opnået med følgende specifikke mål:

Mål 1: At undersøge plausibiliteten af ​​hudbaserede VOC'er som biomarkører for MS-diagnose. I denne del vil efterforskerne 1) anvende tidligere udviklet metodik til VOC-hudprøvetagning og tilpasse den til MS-patienter (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) For at bestemme specificiteten af ​​resultaterne vil efterforskerne yderligere teste forskellen i VOC-profiler mellem MS- og ikke-MS-patienter (sunde kontroller) ved hjælp af sensorteknologi og/eller gaskromatografi-massespektrometri (GC-MS) (del af som vil blive planlagt til opfølgende undersøgelse). Hvor det er plausibelt, vil der blive udført en delanalyse for at påvise hudbaserede VOC forskelle mellem RR-MS og SP-MS og PP-MS patienter Baseret på resultatet af det første trin, der vil identificere flygtige ændringer mellem MS og raske kontroller fra huden efterforskerne vil vurdere sandsynligheden for at inkludere yderligere ikke-MS-syge befolkningsgrupper, såsom patienter med andre autoimmune eller andre neurologiske sygdomme. Hvis ja, vil en passende ændring blive indsendt.

Mål 2: At identificere og karakterisere hudbaserede VOC'er som biomarkører for det kliniske tilbagefald og sygdomsaktivitet ved at måle og analysere VOC's profil under tilbagefald og remission. Baseret på resultatet af det første trin vil efterforskerne teste evnen af ​​den hudbaserede VOC-test til at overvåge subtile ændringer i metabolitterne, der kan indikere på initiering, progression og afslutning af tilbagefaldsepisoden. Det vil blive opnået ved sensor- og/eller GC-MS-analysearbejde for at identificere potentielle ændringer i biomarkører under tilbagefaldet. I en opfølgende undersøgelse har efterforskerne til hensigt at vurdere tilbagefald vs "Pseudo-tilbagefald".

Forventet betydning kan den foreslåede undersøgelse have en stor indvirkning på MS-patienters medicinske pleje og velvære. Tidlig diagnose og forudsigelse af sygdomsaktivitet vil muliggøre tidlig og skræddersyet terapeutisk intervention, forebyggelse af irreversible neurologiske skader og relateret akkumulering af invaliditet, samtidig med at de medicinske omkostninger reduceres. Derudover vil projektet være et vigtigt skridt i anvendelsen af ​​nanosensorer til påvisning af biomarkører i medicinsk forskning og praksis af theranostics (terapi baseret på diagnose) hen imod implementering af Precision Medicine.

UNDERSØGELSESPLAN Prøveindsamling Hudrelaterede VOC'er ville blive indsamlet ved hjælp af polydimethylsiloxan (PDMS) plastre fra forskellige kropslokationer til sensorer og\eller GC-MS-analyse. De absorberende materialer vil blive fastgjort til huden på forskellige steder (arm/hånd eller bryst eller pande), efter rengøring af huden med alkoholpræparationspude og rent vand. Plastrene vil blive dækket med aluminiumsfolie og forseglet med medicinsk klæbende tape i op til en time. Der indsamles i alt 2-4 siliciumplastre til hver patient hver gang. Opsamlede prøver på PDMS vil blive overført til hætteglas og opbevares op til 4 ˚C, indtil de sendes til Technion for NA-NOSE og GC-MS analyse. Alle de indsamlede prøver vil blive kodet. Sensorernes signalrespons vil blive evalueret for at matche de bedste sensorer til prøven. GC-MS vil give indledende oplysninger om den gennemsnitlige hudprofil af MS og kontrol, og vil vurdere behovet for en lille justering af prøveudtagningsproceduren (f.eks. prøvetid).

Statistik Specifikke mønstre og prædiktive modeller for de undersøgte MS-forhold vil blive udledt fra sensorarray-outputtet ved at bruge avancerede mønstergenkendelsesmetoder som diskriminantfunktionsanalyse (DFA), principal komponentanalyse (PCA), neurale netværk (NN) eller lignende. Statistisk signifikans af resultater vil blive bestemt ved at bruge parametriske eller a-parametriske test, såsom Students T-test, Man Whitney eller parret analyse. Værdier p<0,05 vil blive anset for at være signifikante.