Kontinuerlig steroidovervågning i interstitiel væske med bærbar og nanopartikelforbedret biosensorer for forbedret håndtering af binyresygdomme

For at spore steroiddynamik i en rutinemæssig indstilling er valget af kropsvæske kritisk, da det dikterer lethed og hyppighed af indsamling, der tolereres af enkeltpersoner. Mens guldstandarden er baseret på blodassay, kan der fås flere kropsvæsker minimalt invasiv, herunder urin, sved, åndedræt, spyt og interstitiel væske. Mere lovende til steroidovervågning er interstitiel væske, da den tæt spejler sammensætningen af ​​blodplasma på grund af kontinuerlig masseoverførsel. Faktisk er dette blevet demonstreret lige sidste år ved hjælp af en subkutant implanteret mikrodialysekateter, der opsamlede interstitiel væske med en infusionspumpe. Bært omkring taljen blev prøver opsamlet i 24 timer i 214 frivillige og analyseret offline ved væskekromatografimassespektrometri/massespektrometri (LC-MS/MS). På den måde blev cortisol nøjagtigt sporet og fulgt en lignende dynamik i væv (dvs. interstitiel væske) sammenlignet med blodplasma. På dette grundlag blev sygdomsrelaterede forskelle påvist for eksempel forhøjede cortisolkoncentrationer hos en patient, der lider af Cushing-syndrom. Alligevel kræves udvidede undersøgelser af aldosteron- og cortisol -dynamikken i interstitiel væske under forskellige kliniske scenarier med hormonoverskud og mangel, og validering mod serummålinger for at etablere denne metode til diagnostiske og behandlingsformål.

Dette projekt har de overordnede mål for (1) etablering af dynamisk interstitiel aldosteron og cortisolovervågning som pålideligt diagnostisk værktøj til cortisol og aldosteronoverskud eller mangel, og (2) udvikler en bærbar molekylær sensing -enhed til at detektere dem nøjagtigt. I arbejdspakken 1 (karakterisering af interstitiel cortisol og aldosteronkoncentrationer): Den diagnostiske anvendelighed af cortisol og aldosteronmåling i den interstitielle væske vil blive vurderet ved sammenlignende kvantificering til serumkoncentration ved LC-MS/MS. Therefore, interstitial fluid and blood will be collected in healthy individuals and patients during the morning (when cortisol and aldosterone reach the highest levels) and during dynamic tests to investigate adrenal diseases, such as ACTH (cosyntropin) stimulation test (which evaluates the peak cortisol response following an exogenous stimulus) and saline infusion test (which evaluates aldosterone suppression following volume and sodium overbelastning). Da kontinuerlig interstitiel væske endnu ikke er mulig, vil kommercielt tilgængelige hule mikronedle -enheder blive brugt til en -timepoint -ekstraktion.

Hovedhypotese 1: Cortisol- og aldosteronkoncentrationer i interstitiel væske afspejler tilstrækkeligt godt blodserumkoncentrationer til pålideligt indikerer normal steroidudskillelse og indtræden af ​​cortisol- og aldosteronforstyrrelser.

I dette første trin vil efterforskerne udføre en parvis sammenligning af cortisol- og aldosteronkoncentrationer i interstitiel væske med serummålinger. Denne undersøgelse vil blive forelagt de ansvarlige etiske udvalg for USP. Det skriftlige informerede samtykke vil blive underskrevet af alle deltagere. Efterforskerne vil evaluere 150 individer, herunder sunde kontroller og patienter med binyrehyper- og hypofunktion, der er henvist til evaluering i poliklinikken på binyreenheden, Division of Endocrinology, USP. Klinisk og hormonevaluering af de tilmeldte patienter med binyresygdomme vil følge standardretningslinjerne for det endokrine og europæiske samfund for endokrinologi. Alle sunde kontroller (uden en tidligere diagnose af binyresygdom) vil have en aftale om at udfylde et spørgeskema om medicinsk historie og til at indsamle blodprøver.

Enkeltpersoner (mænd og kvinder) ældre end 18 år er berettigede til optagelse. Patienter, der dækker et bredt spektrum af binyresygdomme, rekrutteres: cortisol og aldosteronmangel (primær binyreinsufficiens), cortisoloverskud (Cushing -syndrom) og aldosteronoverskud (primær aldosteronisme). Et enkelt tidspunkt for hver deltager vil blive evalueret om morgenen efter faste natten over og uden morgen medicin. Denne baseline -evaluering giver mulighed for at prøve materiale med normalt, lav (binyreinsufficiens) og høj (henholdsvis Cushings syndrom og primær aldosteronisme) binyre steroidindhold. Derudover udføres ACTH (intravenøs 250 ug cosyntropin) stimuleringstest i sunde kontroller og patienter, der blev undersøgt med binyreinsufficiens og primær aldosteronisme til korrelation af interstitiel aldosteron og cortisolniveauer med toppen af ​​serumcortisol og aldosteron efter 1 timers Acth stimulus. Den saltvandsinfusionstest (intravenøs 2 liter 0,9% saltvand over 4 timer) vil blive udført hos de patienter, der blev undersøgt for primær aldosteronisme. Disse dynamiske tests udføres i et dynamisk testrum i poliklinikken, der tæller med et team af endokrinolog, sygeplejerske og teknikere, der er uddannet til endokrin dynamisk evaluering. Ekskluderingskriterier vil være som følger: Brug af østrogenholdig oral præventionsmedicin inden for de sidste 6 uger; graviditet eller amning; Anvendelse af orale, inhalerede, parenterale eller aktuelle glukokortikoider inden for de sidste 30 dage. Basal prøvesamling og dynamiske tests udføres ved faste mellem kl. 8 til 10.

I arbejdspakke 2 (etabler hule mikronedler til kontinuerlig interstitiel væskeekstraktion) vil efterforskerne demonstrere den direkte udskrivning af polymerbaserede mikronedler med optimeret mekaniske og væskedynamiske egenskaber på mikrofluidiske chips til kontinuerlig interstitiel væskeekstraktion: en bærbar patch til kontinuerlig interstitiel væskeekstraktion vil blive udviklet. Det vil bestå af hule mikronedler direkte 3D-trykt på mikrofluidiske chips. Nålene vil være baseret på biokompatibel polymer for at minimere hudirritation under langvarig påføring, mens de mikrofluidiske chips vil blive fremstillet af skalerbar mikromachining. Nålens penetrationsdybde og stabilitet testes på menneskelige hudanaloger, mens væskedynamiske egenskaber og ekstraktionshastigheder vurderes med kunstig interstitiel væske.

Hovedhypotese 2: Interstitiel væske kan fås ikke-invasivt og kontinuerligt over længere perioder med hule mikronedler baseret på biokompatible materialer.

In work package 3 (Establish and utilize steroid biosensor based on aptamer-functionalized nanoparticles Biosensors for real-time and continuous quantification of cortisol and aldosterone in interstitial fluid will be developed) the investigators will investigate aptamer-functionalized nanoparticles decorated with plasmonic clusters to bind steroids followed by their release through light stimulation to yield selective and Hurtig reversibel sensing til kontinuerlig biomarkørovervågning: receptoren vil være baseret på aptamerer, der er immobiliseret på nanopartikler for at detektere analytbinding og kvantificere koncentrationer elektrokemisk. Nanopartiklerne vil også blive befolket med plasmoniske klynger (f.eks. Au eller Ag) til at fungere som varmekilde, når de aktiveres af lys til udløseranalytfrigivelse. De klyngebelastede nanopartikler vil blive designet til kontrolleret sammensætning og størrelse ved flamme-aerosolteknologi og deponeret direkte på mikrofluidiske platforme som porøse film.

Hovedhypotese 3: Aptamers vil muliggøre en selektiv binding af cortisol og aldosteron. Ved at immobilisere disse aptamerer på nanopartikler genkendes bindingshændelser under elektrokemisk sensing. Gendannelse af sensoren vil blive aktiveret ved at udnytte termoplasmoniske effekter, når de udsættes for lys, for at udløse frigivelsen af ​​analytten ved lokal opvarmning. Den porøse filmmorfologi af den senserende film muliggør hurtig masseoverførsel af analytten.

Baseret på de ydelseskrav, der er identificeret ved USP under WP1, vil Biosensor blive udviklet i ETH Zürich til at udføre realtid og kontinuerlig kvantificering af cortisol og aldosteron for at tilvejebringe langsgående profiler.

I arbejdspakke 4 (klinisk validering af bærbar aldosteron og cortisolsensor i binyresygdom) evalueres den bærbare biosensor, der er udviklet under WP2, og WP3 og WP3 evalueres som et diagnostisk værktøj til binyresygdom. Det skriftlige informerede samtykke vil blive underskrevet af alle deltagere efter undersøgelsesgodkendelse af etiske udvalg for USP. Alle deltagere vil blive evalueret i poliklinikken på binyreenheden, Division of Endocrinology, USP. De dynamiske tests (ACTH -stimulering og saltinfusionstest) vil blive udført i et dynamisk testrum i poliklinikken, der tæller med et team af endokrinolog, sygeplejerske og teknikere, der er uddannet til endokrin dynamisk evaluering. Klinisk og hormonevaluering af de tilmeldte patienter med binyresygdomme vil følge standardretningslinjerne for det endokrine og europæiske samfund for endokrinologi. Alle sunde kontroller (uden en tidligere diagnose af binyresygdom) vil have en aftale om at udfylde et spørgeskema om medicinsk historie og til at indsamle blodprøver. Deltagerne bliver bedt om at opretholde en regelmæssig sengetid, undlade at stemme fra alkohol og for at undgå anstrengende fysisk aktivitet før og under biosensorbrug. Desuden vil deltagerne blive bedt om at gennemføre en aktivitetsdagbog, herunder optegnelser over madtype og timing, søvntiming og enhver uventet begivenhed i løbet af tiden iført biosensoren. 96 prototyper overføres fra ETH til USP og testes i løbet af 48 timer i de følgende undergrupper under de specificerede betingelser:

Kontroller: 32 raske frivillige testes under ACTH (intravenøs 250 ug cosyntropin) stimuleringstest om morgenen den anden dag med kontinuerlig cortisol- og aldosteronmålinger.

Cortisolforstyrrelser: 32 patienter med binyreinsufficiens eller cushing -syndrom testes under en ACTH -stimuleringstest på den anden dag med kontinuerlige steroidmålinger.

Primær aldosteronisme: 32 patienter, der blev undersøgt for primær aldosteronisme, overvåges kontinuerligt. Den saltvandsinfusionstest (intravenøs 2 L 0,9% saltvand over 4 timer) udføres i den anden dag med kontinuerlige målinger af aldosteron og cortisol.

Som et yderligere trin med biosensorvalidering indsamles blodprøver om morgenen (8 til 10 AM) og under de dynamiske tests (ACTH-stimulering og saltinfusionstest) for at måle cortisol og aldosteron af LC-MS/MS. Korrelation mellem serumcortisol og aldosteronkoncentrationer og de interstitielle målinger opnået med biosensoren vil blive analyseret. I løbet af biosensorens brug beregnes det samlede areal under kurven (AUC), morgentoppen og natten nadir af cortisol og aldosteron interstitielle målinger for hver patient. Disse foranstaltninger vil blive sammenlignet mellem patienter med binyresygdomme og sunde kontroller for at bestemme de diagnostiske anvendelser af interstitiel cortisol og aldosteron -dynamik.

Disse fire udfordringer vil blive kontaktet af et tværfagligt team hos USP (klinisk) og ETH (ingeniørarbejde) gennem fire arbejdspakker (WP) med fokus på interstitiel væskekarakterisering (WP1), mikronedle -sampler (WP2), biosensing (WP3) og klinisk validering (WP4) af den resulterende bærbare prototype.