Nicht-invasive TB-Triage- und Patientenkartierungsplattform unter Verwendung des Atems über einen kostengünstigen Titandioxid-Nanoröhrchen-Sensor

Tuberkulose ist eine Infektionskrankheit, die durch verschiedene Mykobakterienstämme verursacht wird. Es infiziert typischerweise die Lunge und wird über die Luft verbreitet, wenn ein infizierter Patient niest, hustet oder spuckt. In diesem Fall werden die Tuberkulosebakterien in Tröpfchen in die Luft geschleudert, die über längere Zeiträume in der Schwebe bleiben können. Eine Person muss lediglich eine kleine Menge Bazillen einatmen, um sich zu infizieren.

Herkömmliche Methoden zur Erkennung und Diagnose von Tuberkulose werden traditionell in Laboren oder Krankenhäusern durchgeführt. Die gebräuchlichste Methode zur Diagnose von Tuberkulose ist beispielsweise die säurefeste Färbung einer Sputumprobe, gefolgt von einem Sputumabstrich-Mikroskopietest. Ein Nachteil des Sputumabstrichtests ist jedoch die geringe Sensitivität, die auf 70 % geschätzt wird. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Empfindlichkeit der Sputumabstrichspektroskopie im Feldeinsatz viel geringer ist (35 %), insbesondere in Bevölkerungsgruppen mit hohen Raten an Tuberkulose- und HIV-Koinfektionen. Die Kultivierung von Mykobakterien aus Sputumproben ist eine empfindlichere Technik. Sputumproben werden gesammelt und entweder in festen oder flüssigen Medien kultiviert, um nach dem Vorhandensein des Mykobakteriums zu suchen. Die Durchführung dieser Methode erfordert jedoch Zeit (3–4 Wochen für feste Kulturen und 10–14 Tage für flüssige Kulturen), was den Einsatz in Umgebungen mit geringen Ressourcen, die normalerweise weit von Testeinrichtungen entfernt sind, schwierig macht.

Kürzlich wurden weitere Technologien entwickelt, darunter die Fluoreszenzmikroskopie für Abstrichtests (10 % empfindlicher als die Lichtmikroskopie), die LED-Fluoreszenzmikroskopie für kostengünstige Bildgebungsgeräte, die vor Ort ohne Dunkelkammer eingesetzt werden können, und schnelle Kultivierungstechniken zur Reduzierung Inkubationszeit. Trotz aller Verbesserungen, die in der Tuberkulose-Diagnose erzielt wurden, ist derzeit kein einfacher, kostengünstiger POC-Test verfügbar. Die oben genannten Techniken konzentrieren sich entweder auf Variationen der Mikroskopie oder der Kulturtechnik. In beiden Fällen erfordern diese Methoden Laboreinrichtungen und hochqualifiziertes Personal, die in vielen ländlichen oder ressourcenarmen Gebieten normalerweise nicht verfügbar sind.

Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass verschiedene Mykobakterienstämme unterschiedliche gasförmige, flüchtige Biomarker produzieren, die als Methode zum Nachweis und zur Identifizierung des Mykobakteriums verwendet werden können. Insbesondere fanden Syhre und Chambers heraus, dass Mycobacterium tuberculosis- und Mycobacterium bovis-Kulturen vier spezifische flüchtige organische Biomarker (VOBs) abgeben: Methylphenylacetat, Methyl-p-anisat, Methylnicotinat und o-Phenylanisol. Diese Verbindungen waren vor dem visuellen Auftreten von Kolonien nachweisbar, was Auswirkungen auf die Erkennung einer latenten TB-Infektion haben könnte. Syhre et al. konnten statistisch signifikante Unterschiede von Methylnikotinat im Atem von ausstrichpositiven Tuberkulosepatienten im Vergleich zu gesunden (abstrichnegativen) Probanden feststellen. Die Analysen in diesen Studien wurden mithilfe von Gaschromatographie-/Massenspektroskopie-Analysetools durchgeführt. Obwohl sie bei der Identifizierung und Quantifizierung komplexer Gasproben wirksam sind, sind sie teuer, sperrig und für die Point-of-Care-Diagnostik (POC) nicht geeignet.

Diese mit der Diagnose von Tuberkulose verbundenen Herausforderungen sind erheblich, da Tuberkulose die zweithäufigste Todesursache aufgrund eines einzelnen infektiösen Organismus ist und nach Angaben der WHO jährlich für 1,3 Millionen Todesfälle verantwortlich ist (mehr als 3.500 pro Tag). Insgesamt sind derzeit weltweit schätzungsweise 2 Milliarden Menschen infiziert, wobei jedes Jahr 8,6 Millionen neue aktive Infektionen auftreten.[8] Jede dieser Personen kann die Krankheit auf 10 bis 15 Personen pro Jahr übertragen und ist unbehandelt mit einer Sterblichkeitsrate von 50 % konfrontiert. Die wirtschaftliche Belastung durch Tuberkulose ist erschütternd, da die Weltbank schätzt, dass Länder mit hoher Belastung aufgrund von Produktivitätsverlusten bei Tuberkulosepatienten und ihren Betreuern bis zu 7 % des BIP verlieren können. Es ist so wichtig, dass die Weltbank allein im Jahr 2014 100 Millionen US-Dollar für Tests und Behandlung von Tuberkulose in Indien bereitgestellt hat.

Von den 8,6 Millionen neuen aktiven Tuberkulosefällen, die jährlich auftreten, werden nach Schätzungen der WHO etwa 3 Millionen dieser Patienten „übersehen“ und erhalten nicht die Diagnose oder Pflege, die sie benötigen. Einer der Hauptgründe für diese Lücke sind Verzögerungen beim Zugang zu Tuberkulosebehandlungen oder lange Vorlaufzeiten für diagnostische Tests. Daher ist die Entwicklung neuer groß angelegter Screening-Tests (auch bekannt als Triage- oder „Ausschluss“-Tests) besonders erforderlich, da bis zu 80 % der auf Tuberkulose getesteten Menschen keine aktive Krankheit haben, was die begrenzten und wertvollen Tests übersteigt Ressourcen, die für diagnostische Tests vorgesehen sind. Daher hat FIND, ein weltweit führendes Unternehmen in der Leitung und Koordinierung von Forschung und Entwicklung für Krankheiten wie Tuberkulose, die Entwicklung neuer Screening-Tests als eine der drei obersten Prioritäten im Kampf gegen Tuberkulose eingestuft.

Diese Pilotstudie wird durchgeführt, um festzustellen, ob eine neu entwickelte Sensormethode zum Screening von Tuberkulose am POC auf der Grundlage flüchtiger Biomarker durch die Verwendung eines kostengünstigen Festkörpersensors mit funktionalisierten 3D-TiO2-Nanoröhren-Arrays, die die flüchtigen Biomarker binden, machbar ist. Wenn die klinische Sensitivität ausreichend ist, könnte diese Technologie eine Möglichkeit bieten, viele der „übersehenen“ Tuberkulosepatienten zu identifizieren und es ermöglichen, die Testressourcen und -bemühungen auf diejenigen zu konzentrieren, bei denen das höchste Krankheitsrisiko besteht.

Zuvor haben wir das Atemprofil einer kleinen Anzahl von Patienten aus örtlichen Tuberkulosekliniken getestet und das Vorhandensein dieser Biomarker in ihrem Atem bestätigt (IRB_0065207). Jetzt sind umfangreichere Patientenstudien erforderlich, um eine Schätzung der Sensitivität und Spezifität zu erhalten und das Potenzial der Verwendung des Sensors als Screening-Test zu bestimmen. Diese Studie wird in Mumbai, Indien, mit dem Research Electronic Data Capture (REDCap)-System der Universität durchgeführt, das zur sicheren Erfassung und Speicherung der Daten dieser Studie verwendet wird.

Diese Studie wurde vom Mahatma Gandhi Mission Institute of Health Sciences Ethical Committee for Research on Human Subjects und Scientific Advisory Committee überprüft und genehmigt.