Neuartiges Nanosensor-Array zum Nachweis flüchtiger Biomarker aus der Haut bei Multipler Sklerose (Nano-Skin-MS)

HINTERGRUND Multiple Sklerose (MS) ist die häufigste chronische neurologische Erkrankung, die junge Erwachsene betrifft, mit einem Beginn in der Regel im Alter von 20–40 Jahren. Die Krankheit ist durch zwei Hauptphänotypen gekennzeichnet: Rezidiv-remittierende MS (RR-MS) und primär progrediente MS (PP-MS). RR-MS ist die häufigste Art von Krankheit. Zur Langzeitbehandlung der Krankheit werden die Patienten mit immunmodulatorischen Arzneimitteln (IMD) behandelt, die die Krankheitsaktivität reduzieren. Das Ansprechen auf die Therapie ist bei den Patienten unterschiedlich. Derzeit sind keine Biomarker für die Diagnose und routinemäßige Nachsorge von MS verfügbar. Oligoklonale IgG im Liquor – die zur Bestätigung der Diagnose beitragen, ein invasives Verfahren erfordern und weder mit der Krankheitsaktivität noch mit dem Ansprechen auf die Therapie korrelieren, und die MRT, die eine Überwachung der MS-Aktivität und ihrer Behandlung ermöglicht, ist für eine routinemäßige Anwendung zu teuer. Darüber hinaus stehen RR-MS-Patienten unter erheblichem Stress, da die Schubepisode ohne erkennbares Warnzeichen sofort auftreten kann. Wenn Rückfall-bezogene Biomarker identifiziert werden können, könnte ein potenzieller Vorhersagetest entwickelt werden, der schließlich eine angemessene medizinische Gegenmaßnahme ermöglichen kann, bevor der Rückfall eskaliert. Darüber hinaus würde eine frühzeitige Diagnose von MS und die Vorhersage eines Rückfalls die Rate der Anhäufung von Behinderungen verringern und Krankenhausaufenthaltstage einsparen.

Hier schlagen die Forscher vor: die Fähigkeit einer einfachen und tragbaren Sensortechnologie zur Vorhersage und Überwachung von MS aus flüchtigen Proben weiter zu untersuchen. Die im Labor von Prof. Hossam Haick entwickelte Technologie hat sich als vielversprechend für die Diagnostik einer Reihe von Erkrankungen wie bösartigen, infektiösen und neurologischen Erkrankungen erwiesen, darunter zwei klinische Studien zu MS (Broza et al. 2017; Broza et al 2015; Ionescu et al. 2011; Nakhleh et al. 2017 und Peng et al. 2009). Der Ansatz beruht auf der Tatsache, dass die Zellmembran hauptsächlich aus amphipathischen Phospholipiden, Kohlenhydraten und vielen integralen Membranproteinen besteht, die für verschiedene Zelltypen unterschiedlich sind. Bei Krankheitsprozessen unterliegen Zellen strukturellen Veränderungen, die zu oxidativem Stress führen können, d. h. einer Peroxidation der Zellmembran, die dazu führt, dass flüchtige organische Verbindungen (VOCs) emittiert werden. Einige dieser VOCs treten in deutlich unterschiedlichen Mischungszusammensetzungen auf, je nachdem, ob eine Zelle gesund ist oder nicht. Es wird angenommen, dass oxidativer Stress bei MS zu Gewebeverletzungen in fokalen entzündlichen Läsionen beiträgt und an der diffusen axonalen Degeneration und Demyelinisierung beteiligt ist (Gilgun-Sherki et al. 2004). Was bei diesem Ansatz besonders wichtig ist, ist, dass jeder Krankheitstyp sein eigenes einzigartiges Muster von VOCs hat und daher das Vorhandensein einer Krankheit im Allgemeinen andere Krankheitstypen nicht ausfindig machen würde. Diese VOCs können direkt aus verschiedenen Körperflüssigkeiten wie Atemluft oder Haut nachgewiesen werden. In bestimmten Fällen bietet die Atem- und Hautanalyse mehrere potenzielle Vorteile: (a) Atem-/Hautproben sind nicht invasiv und leicht zu erhalten; (b) Atem/Haut enthält weniger komplizierte Mischungen als entweder Serum oder Urin; und (c) Atem-/Hauttests haben das Potenzial für eine Echtzeitüberwachung. Die NA-NOSE führt Geruchserkennung mit breit kreuzreaktiven Sensoren in Verbindung mit Mustererkennungsverfahren durch (Broza et al. 2017; Peng et al. 2009). Im Gegensatz zum "Schloss-und-Schlüssel"-Ansatz reagiert jeder Sensor in der NA-NOSE weitgehend auf eine Vielzahl von Geruchsstoffen. Dies erhöht die Vielfalt der Verbindungen, für die die vielen verschiedenen Sensoren empfindlich sind, und ermöglicht so Analysen von Biomarkern in komplexen Mehrkomponentenmedien.

FORSCHUNGSZIELE UND ERWARTETE BEDEUTUNG

Eine frühzeitige zielgerichtete Behandlung in Rückfallepisoden ist von entscheidender Bedeutung, aber es stehen keine ausreichenden Instrumente zur Vorhersage und Identifizierung früher Symptome einer bevorstehenden Rückfallepisode zur Verfügung. Die Forscher haben zuletzt gezeigt, dass Atem-VOCs verwendet werden können, um zwischen MS- und Nicht-MS-Patienten zu klassifizieren ( Broza et al 2017). Das Hauptziel des aktuellen Vorschlags besteht darin, diese jüngsten Errungenschaften weiterzuverfolgen und die Plausibilität der hautbasierten VOC-Analyse zu testen, um ergänzende Informationen zu potenziellen Biomarkern des Krankheitstyps (RR-MS und PP-MS) sowie zur Überwachung bereitzustellen Krankheitsaktivität und insbesondere die Vorhersage von Rückfällen bei MS-Patienten. Die Projektziele werden durch die folgenden spezifischen Ziele erreicht:

Ziel 1: Untersuchung der Plausibilität von hautbasierten VOCs als Biomarker für die MS-Diagnose. In diesem Teil werden die Forscher 1) zuvor entwickelte Methoden für die VOC-Hautprobenahme anwenden und sie für MS-Patienten anpassen (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) Um die Spezifität der Befunde zu bestimmen, werden die Forscher den Unterschied in den VOC-Profilen zwischen MS- und Nicht-MS-Patienten (gesunde Kontrollen) unter Verwendung von Sensortechnologie und/oder Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) (Teil von die für Folgestudien geplant sind). Wo plausibel, wird eine Unteranalyse durchgeführt, um hautbasierte VOC-Unterschiede zwischen RR-MS- und SP-MS- und PP-MS-Patienten zu erkennen. Basierend auf dem Ergebnis des ersten Schritts, der flüchtige Veränderungen zwischen MS und gesunden Kontrollen der Haut identifizieren wird Die Prüfärzte werden die Plausibilität prüfen, zusätzliche nicht an MS erkrankte Bevölkerungsgruppen einzubeziehen, beispielsweise Patienten mit anderen Autoimmun- oder anderen neurologischen Erkrankungen. Wenn ja, wird eine entsprechende Änderung eingereicht.

Ziel 2: Identifizierung und Charakterisierung hautbasierter VOCs als Biomarker des klinischen Rückfalls und der Krankheitsaktivität durch Messung und Analyse des VOC-Profils während des Rückfalls und der Remission. Basierend auf dem Ergebnis des ersten Schritts werden die Forscher die Fähigkeit des hautbasierten VOC-Tests testen, subtile Veränderungen in den Metaboliten zu überwachen, die auf Beginn, Fortschreiten und Ende der Rückfallepisode hindeuten könnten. Dies wird durch Sensor- und/oder GC-MS-Analysearbeit zur Identifizierung möglicher Veränderungen der Biomarker während des Rückfalls erreicht. In einer Folgestudie beabsichtigen die Forscher, Rückfall vs. „Pseudo-Rückfall“ zu bewerten.

Die erwartete Bedeutung der vorgeschlagenen Studie könnte einen großen Einfluss auf die medizinische Versorgung und das Wohlbefinden von MS-Patienten haben. Eine frühzeitige Diagnose und Vorhersage der Krankheitsaktivität wird eine frühzeitige und maßgeschneiderte therapeutische Intervention ermöglichen, irreversible neurologische Schäden und die damit verbundene Anhäufung von Behinderungen verhindern und gleichzeitig die medizinischen Kosten senken. Darüber hinaus wird das Projekt ein wichtiger Schritt in der Anwendung von Nanosensoren zum Nachweis von Biomarkern in der medizinischen Forschung und Praxis der Theranostik (diagnostische Therapie) zur Umsetzung der Präzisionsmedizin sein.

STUDIENPLAN Probensammlung Hautbezogene VOCs würden unter Verwendung von Polydimethylsiloxan (PDMS)-Patches von verschiedenen Körperstellen für Sensoren und/oder GC-MS-Analysen gesammelt werden. Die absorbierenden Materialien werden an verschiedenen Stellen (Arm/Hand oder Brust oder Stirn) auf der Haut befestigt, nachdem die Haut mit einem Alkohol-Vorbereitungspad und sauberem Wasser gereinigt wurde. Die Pflaster werden mit Alufolie abgedeckt und bis zu einer Stunde mit medizinischem Klebeband versiegelt. Es werden jeweils insgesamt 2-4 Silikonpflaster für jeden Patienten gesammelt. Auf PDMS gesammelte Proben werden in Glasfläschchen überführt und bei bis zu 4 °C gelagert, bis sie zur NA-NOSE- und GC-MS-Analyse an das Technion gesendet werden. Alle gesammelten Proben werden kodiert. Die Signalantwort der Sensoren wird ausgewertet, um die besten Sensoren für die Probe auszuwählen. GC-MS liefert erste Informationen zum durchschnittlichen Hautprofil von MS und Kontrolle und bewertet die Notwendigkeit einer leichten Anpassung des Probenahmeverfahrens (z. B. Probenahmezeit).

Statistik Spezifische Muster und Vorhersagemodelle für die untersuchten MS-Erkrankungen werden aus der Ausgabe des Sensorarrays abgeleitet, wobei fortschrittliche Mustererkennungsmethoden wie Diskriminanzfunktionsanalyse (DFA), Hauptkomponentenanalyse (PCA), neuronale Netze (NN) oder ähnliches verwendet werden. Die statistische Signifikanz der Ergebnisse wird durch parametrische oder a-parametrische Tests wie Student's T-Test, Man Whitney oder Paaranalyse bestimmt. Werte p < 0,05 werden als signifikant angesehen.