Translationel immundiagnostik ved slagtilfælde (TrImS) (TrImS)

Introduktion

Slagtilfælde er en førende årsag til overordnet dødelighed, sygelighed og handicap på verdensplan. I 2010 var det den næststørste dødsårsag, mens den i 2019 var den tredje overordnede for handicapjusterede leveår (DALYs) og nummer to for personer på 50 år og derover. Akut iskæmisk slagtilfælde (AIS) er en førende årsag til dødelighed og sygelighed i USA og rammer over 800.000 voksne hvert år. I Hong Kong er det den fjerde hyppigste dødsårsag. Det er ofte forudgået af et forbigående iskæmisk anfald (TIA), som er en varsel for fremtidige cerebrale iskæmiske hændelser med 20 % risiko for slagtilfælde inden for 90 dage.

Slagtilfælde er forbundet med iskæmiske, inflammatoriske, hæmoragiske og aterosklerotiske processer forbundet med forstyrrelse af blod-hjernebarrieren og øget blodbårne proteiner og nukleinsyrer. Det anslås, at 'den gennemsnitlige varighed af ikke-lacunar slagtilfældeudvikling er 10 timer (interval 6 til 18 timer), og det gennemsnitlige antal neuroner i den menneskelige forhjerne er 22 milliarder. Hos patienter, der oplever et typisk stort kar AIS, går 120 millioner neuroner, 830 milliarder synapser og 714 km (447 miles) myelinerede fibre tabt hver time. I hvert minut ødelægges 1,9 millioner neuroner, 14 milliarder synapser og 12 km (7,5 miles) myelinerede fibre. Sammenlignet med den normale hastighed for neurontab ved hjernealdring, ældes den iskæmiske hjerne 3,6 år hver time uden behandling«. Der er også tegn på en sådan skade i kredsløbet inden for minutter til timer efter større traumer, herunder hovedskade.

Den rettidige diagnose af slagtilfælde og dens ætiologiske klassificering i slagtilfælde-typer er vigtig, da tidlig passende intervention resulterer i markant forbedrede resultater. For det første påvirker bestemmelsen af ​​årsagen til slagtilfældet, hvilken behandling der straks er ordineret. For eksempel er tidlig trombolyse indiceret for AIS, men kontraindiceret for hæmoragisk slagtilfælde (HS). En diagnose af AIS inden for 4,5 timer efter slagtilfælde, efterfulgt af rettidig trombolytisk intervention, forbedrer slagtilfældeudfaldet. Antikoagulant- og blodpladebehandling er indiceret til kardioembolisk slagtilfælde eller TIA, men kontraindiceret ved atherogene slagtilfælde. Ved sidstnævnte anbefales antiblodplader. Stor karokklusion behandles bedre ved kirurgi end konservativt. Forsinkelser i diagnosticering og tidlig intervention tæller som undgåelige DALYs, sygelighed, sundhedsudgifter og tidlig dødelighed.

I den udviklede verden er slagtilfælde mistænkt og påvist ved klinisk historie og undersøgelse og bekræftet diagnostisk ved cerebrovaskulær billeddannelse enten ved CT og/eller MR. Selvom neuroimaging præsenterer den nuværende bedste standard for slagtilfælde identifikation og klassificering, er den langt fra optimal. Neuroimaging giver kun grove skøn over neurovaskulær skade, identificerer ikke årsagen (kryptogent slagtilfælde) i signifikante 5 - 15% tilfælde og giver kun få oplysninger om cellulær og molekylær patofysiologi. Dette forsinker igen tidlig behandling og begrænser søgningen efter potentielle midler til forebyggelse og genopretning af slagtilfælde. Ydermere resulterer fraværet af en objektiv metode til at bestemme slagtilfældebegyndelse, for eksempel hos patienter, der vågner med et mistænkt slagtilfælde, at 80 % af patienter med AIS ikke får trombolyse. Derfor er der behov for at forstå den dynamiske patofysiologi af slagtilfælde på et tidligt tidspunkt.

Molekylære biomarkører såsom konventionelt og højfølsomt troponin har transformeret påvisning og risiko-stratificering af patienter med akut koronarsyndrom. Der findes imidlertid ingen sådanne markører for tidlig påvisning, diagnose, klassificering og risiko-stratificering af slagtilfælde eller TIA. I løbet af de sidste årtier har efterforskere søgt efter slagtilfældemarkører, som kan være nyttige til screening, påvisning, diagnose, klassificering, overvågning, forudsigelse og prognose for slagtilfælde. Mange kandidatmarkører er blevet identificeret, men ingen har været tilstrækkelig nøjagtige eller tidligt nok i udviklingen af ​​slagtilfælde til at finde en plads i den kliniske pleje.

Den store udfordring er at identificere tidlige, tilgængelige biomarkører med et højt niveau af nøjagtighed til at opdage, diagnosticere og differentiere slagtilfælde-ætiologi. Nylige teknologiske opdagelser tyder på, at mange blodbaserede markører kan påvises både kvalitativt og kvantitativt i åndedræt og spyt ved hjælp af immunoassay og spektral profilering. Sådanne teknologier giver nøjagtige resultater inden for minutter til sekunder. Udfordringen er ikke nedstrøms i den translationelle pipeline, men opstrøms opdagelser af -omics-markører. Når først de er opdaget, er teknologierne til udvikling af hurtige analyser og point-of-care tests allerede på plads.

Hjernespecifikke biomarkører i slagtilfælde

Søgen efter meningsfulde biomarkører i slagtilfælde har været lang. Det omfatter genomiske, transkriptomiske, proteomiske, metaboliske og lipidomiske tilgange. For eksempel tyder nyere undersøgelser på, at fuldblodstranskriptomik kan muliggøre nøjagtig AIS-differentiering. Forskere af Ischemi Care Biomarkers of Acute Stroke Etiology (BASE) evaluerer i øjeblikket RNA-genekspression i perifert blod hos patienter med slagtilfælde, der viser sig inden for 30 timer efter slagtilfældedebut (NCT02014896). BASE er et multicenter, prospektivt studie med en estimeret indskrivning af 1100 voksne patienter og 100 alders-, køn- og komorbiditetsmatchede kontroller, som henvender sig til akutafdelingen (ED) eller hospitalet med mistanke om AIS eller TIA. Resultaterne af disse undersøgelser afventes, men på nuværende tidspunkt er der ingen tidlig, nøjagtig biomarkørplatform til at guide slagtilfældedetektering og diagnostik.

Der har været omfattende undersøgelser af hjernespecifikke proteomiske biomarkører af gliaceller [f.eks. S100 calciumbindende protein B (S100B), gliafibrillært surt protein (GFAP)] og neuronale celler [f.eks. ubiquitin C-terminal hydrolase-L1 (UCH-L1), neuronspecifik enolase (NSE), alfa II-spektrin nedbrydningsprodukter (f.eks. SBDP120, SBDP145 og SBDP150), myelin basisprotein (MBP), neurofilament let kæde (NF-L), tau protein, visinin-lignende protein-1 (VLP 1), NR2 peptidskade i cerebrospinalvæske (CSF) og perifert blod i søgen efter rettidige diagnostiske oplysninger for slagtilfælde [28]. Alligevel har ingen fundet vej til klinisk praksis.

Ikke-specifikke biomarkører i slagtilfælde

Som tidligere nævnt er slagtilfælde forbundet med generiske, uspecifikke, iskæmiske, inflammatoriske, hæmoragiske og aterosklerotiske processer, der er forbundet med forstyrrelse af blod-hjernebarrieren og øgede blodbårne proteiner og nukleinsyrer. En detaljeret gennemgang af ikke-specifikke, men patologi-relevante biomarkører for slagtilfælde er uden for rammerne af denne introduktion. En Omics-tilgang bør dog indeholde en omtale af lipidomik.

Lipidomics forskning i slagtilfælde har inkluderet konventionelle og avancerede lipid tilgange. For eksempel har sphingolipider, phospholipider (herunder lyso- og ether-arter), kolesterylestere og glycerolipider vist sig at forudsige fremtidige kardiovaskulære hændelser og kardiovaskulær død, men ikke med nogen høj grad af nøjagtighed. Tilføjelsen af ​​syv lipidarter til en basismodel af 14 traditionelle risikofaktorer og medicin forbedrede forudsigelsen af ​​kardiovaskulære hændelser med en C-statistik fra 0,680 til 0,700 (P

Det udækkede kliniske behov

Patienter henvender sig almindeligvis til akutmodtagere, almen praksis, samfundet, præhospitale og hospitalsafdelinger med mistanke om akut slagtilfælde, hvor forsinkelser i diagnosticering resulterer i forsinkelser i behandlingen og ineffektive sundhedsprocesser. Klinisk skarpsindighed er variabel og subjektiv. Nøjagtige, objektive, tidlige, sikre, minimalt invasive, diagnostiske og prognostiske tests er nødvendige for at informere om slagtilfælde. ED'er er en af ​​de mest almindelige indstillinger for akutte præsentationer af disse sygdomme.

Ubesvarede spørgsmål

Mange spørgsmål er i øjeblikket ubesvarede. Kan hjerne- og patologispecifikke små molekylære proteiner og nukleinsyrer påvises kvantitativt i kredsløbet (f. fuldblod, plasma) og spyt inden for minutter til timer efter indtræden af ​​akut slagtilfælde og TIA? Passer sådanne påvisninger til en tidsmæssig, dynamisk og mekanistisk rolle i de iskæmiske, inflammatoriske, immunologiske, hæmoragiske, apoptotiske, aterosklerotiske, genopretnings- og regenerative processer impliceret i slagtilfælde og TIA? Spiller forstyrrelser (forhøjelser eller reduktioner) i sådanne markører en rolle i påvisning, diagnosticering, slagtilfældeklassificering, forudsigelse og prognose hos patienter med slagtilfælde? Gør kombinationer af hjernespecifikke biomarkører og ikke-specifikke patologiske markører (f.eks. aterosklerotisk, inflammatorisk) forbedre slagtilfældedetektion, diagnose og differentiering? Kunne opdagelsen af ​​sådanne markører guide kliniske veje og i sidste ende føre til nye vacciner og terapeutiske indgreb hos sådanne patienter?

Spørgsmål

1. Hvilke kombinationer af tidlig hjernespecifikke og patologispecifikke panoromics flydende biopsibiomarkører optimerer slagtilfældedetektering, diagnose, dynamik og differentiering hos voksne patienter, der præsenterer sig for ED'er med mistanke om akut slagtilfælde?

2. Hvilke tidlige panoromiske platforme af flydende biopsi-biomarkører er nyttige til at forudsige respons på behandling, monitorering og prognose i forskellige slagtilfældetyper hos voksne patienter, der præsenterer sig for akutte apopleksier med mistanke om akut slagtilfælde?

   • Der er mistanke om slagtilfælde, hvis patienter er FAST eller LAPSS eller ROSIER positive. Mistænkt slagtilfælde omfatter slagtilfældemimik, TIA, AIS og HS.
   • Flydende biopsi omfatter fuldblod, plasma, serum, hvide blodlegemer, spildevand og spyt
   • Flydende biopsibiomarkører omfatter genomiske, transkriptomiske, proteomiske, metabolomiske, lipidomiske og hæmatologiske indhold.
   • Slagtyper omfatter HS og AIS.

Hypotese

Vi antager, at slagtilfælde involverer en hurtig, kompleks proces med iskæmi, nekrose, apoptose og forstyrrelse af hjernebarrieren, som frigiver vævsspecifikke genomiske, epigenomiske, transkriptomiske og proteomiske markører i blodstrømmen tidligt i forløbet af cerebrovaskulær patofysiologi. Disse biomarkører vil blive opdaget tidligt i let tilgængelige væsker såsom fuldblod, plasma, serum og spyt. De dynamiske ændringer vil være nyttige til personlig sygdomsdetektion, diagnose, risiko-stratificering, sygdoms- og terapeutisk overvågning, forudsigelse og prognose. De dynamiske ændringer kan også muliggøre en rimelig vurdering af slagtilfældedebut og tillade tidlig intervention hos patienter med ellers ukendt slagtilfældedebut.

Mål

Hos voksne patienter, der præsenterer sig for ED'er inden for 24 timer efter symptomdebut med mistanke om akut slagtilfælde, tilstræber vi:

1. I opdagelsesforskning - for at identificere tidlige hjerne- og patologispecifikke cirkulerende, fuldblods-, plasma- og serumpanoromiske biomarkører, der muliggør tidlig påvisning af akut slagtilfælde, diagnose, dynamik, differentiering, overvågning, forudsigelse og prognose. I opdagelsesforskning - for at identificere tidlige hjerne- og patologispecifikke, panoramiske biomarkører i spyt, der muliggør tidlig akut slagtilfældedetektering, diagnose, dynamik, differentiering, overvågning, forudsigelse og prognose.
2. I udviklingsforskning ved hjælp af træningssæt - til at udlede biomarkørplatforme af modeller for tidlig akut slagtilfældedetektion, diagnose, dynamik, differentiering, overvågning, forudsigelse og prognose
3. I valideringsforskning ved hjælp af testsæt - at validere disse modeller i uafhængige og eksterne datasæt