Schnelle, genaue und kostengünstige Bewertung von Blut-Biomarkern zur Diagnose von Gehirnerschütterungen (RACE)

HINTERGRUND

Schätzungsweise 100-300/100.000 Menschen weltweit werden jährlich mit einem Schädel-Hirn-Trauma (TBI) ins Krankenhaus eingeliefert, von denen die meisten als leicht eingestuft werden. TBI ist eine Störung der normalen Gehirnfunktion, die durch externe biomechanische Kräfte verursacht wird, die direkt oder indirekt auf den Kopf übertragen werden, und ist eine der Hauptursachen für Tod und Invalidität in Kanada. Etwa 1 von 450 Kanadiern gibt an, dass im vergangenen Jahr eine Hirnverletzung die bedeutendste Verletzung im Zusammenhang mit einer Behinderung war. Leichtes Schädel-Hirn-Trauma (mTBI) wird unter klinischem Schweregrad durch einen Glasgow Coma Scale (GCS)-Score von 13-15 operationalisiert und oft synonym mit Gehirnerschütterung verwendet, obwohl die neueste Konsensdefinition von Gehirnerschütterung durch positive Befunde zu Standard-Bildgebungsverfahren ausgeschlossen ist . Obwohl sie als mild mit typischen Erholungszeiten innerhalb von zwei Wochen nach der Verletzung bei Erwachsenen und vier Wochen bei Jugendlichen bezeichnet werden, leiden bis zu 30 % der Patienten mit Gehirnerschütterung an anhaltenden Symptomen (Kopfschmerzen, Müdigkeit, Schwindel, Schlaflosigkeit, Depressionen, Angstzuständen, Gleichgewichtsstörungen und kognitiven Störungen). Defizite usw.), die zu einer erheblichen Funktionsbeeinträchtigung und Krankheitslast beitragen. Darüber hinaus kehrten 2016 etwa 10 % der diagnostizierten Gehirnerschütterungen in Ontario innerhalb von 14 Tagen nach der Verletzung in die Notaufnahme zurück, was die Anforderungen an das Gesundheitssystem erhöhte.

Aufgrund ihrer Identität als eine der am komplexesten zu diagnostizierenden und zu behandelnden Verletzungen stützt sich die Gehirnerschütterung derzeit auf subjektive Messungen und Symptomberichte als klinische Indizes für Verletzungen. Es besteht ein verstärktes Interesse daran, diese Einschränkung durch Forschungsbemühungen anzugehen, die daran arbeiten, objektive Verletzungsmaße zu etablieren, einschließlich fortschrittlicher bildgebender Neuroimaging-Techniken, maschinellem Lernen grundlegender physiologischer Funktionen (Gehirnwellen, Herzfrequenz, Blutdruck usw.) und Blutbiomarkern. Blut-Biomarker haben vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich ihrer Fähigkeit gezeigt, schweres und mittelschweres TBI zu erkennen oder vorherzusagen, aber die Ergebnisse bei mTBI sind gemischt und bedürfen weiterer Untersuchungen. Zwei Biomarker für Hirnverletzungen – gliales fibrilläres saures Protein (GFAP) und Ubiquitin C-terminale Hydrolase L1 (UCH-L1) – wurden kürzlich von der FDA zugelassen, um die Notwendigkeit eines CT-Scans bei erwachsenen mTBI-Patienten mit möglichen intrakraniellen Läsionen zu identifizieren. Abgesehen von der derzeit unzureichenden Beweislage in Bezug auf Anwendungen von Blutbiomarkern für die Diagnose oder Prognose von Gehirnerschütterungen bleibt eine zusätzliche Hürde für die zukünftige Implementierung in einem klinischen Umfeld die kosten- und zeitaufwändigen Assay-Methoden für den Markernachweis. Die Einzelmolekül-Array-Technologie (SIMOA) ist ein vollautomatischer Immunoassay, der Biomarker auf Femtogramm-Ebene nachweisen kann und etwa 900-mal empfindlicher ist als herkömmliche enzymgekoppelte Immunosorbent-Assays. Als aktueller Goldstandard für den Nachweis von Biomarkern in niedriger Konzentration können erhebliche Geld- und Verfahrenskosten die zukünftigen Anwendungen von SIMOA für den Nachweis von Gehirnerschütterungs-Biomarkern in klinischen Umgebungen einschränken. Glücklicherweise erweitern technologische Fortschritte die Grenzen herkömmlicher Assay-Ansätze, um die Kosten zu minimieren und die Effizienz zu maximieren, und schreiten in Richtung Point-of-Care-Assay-Geräte voran.

Die Forscher haben einen GFAP-Nanobiosensor entwickelt, der in der Lage ist, GFAP-Konzentrationen in ähnlichen Größenordnungen wie SIMOA zu messen. Kurz gesagt, der elektrochemische Biosensor GFAP wurde unter Verwendung von nanoporösem Kohlenstoff auf siebgedruckten Elektroden mit Hydroxylamin (NH2OH) entwickelt. Die nanobeschichteten und funktionalisierten Elektroden wurden mit monoklonalem Anti-Human-GFAP-Capture-Antikörper immobilisiert und dann mit Rinderserumalbumin blockiert. Die GFAP-Bindungsfrequenz wurde unter Verwendung von elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) in Serumkonzentrationsspiegel übersetzt. Der nanoporöse Biosensor ermöglichte einen hochempfindlichen GFAP-Nachweis in einem breiten Betriebsbereich von Konzentrationen von 100 fg/ml bis 10 ng/ml im menschlichen Serum. Es wies GFAP selektiv nach, wenn es mit anderen Biomarkern getestet wurde, die nach einer Hirnverletzung freigesetzt wurden, und zeigte eine klinische Sensitivität für den Nachweis von Patienten mit verschiedenen TBI-Schweregraden (insgesamt n = 70; TBI n = 26, gesunde Kontrolle n = 44) von 84,62 % (95 % KI , 65,1 % bis 95,6 %) und Spezifität bei 61,36 % (KI, 45,5 % bis 75,6 %). Die Nachweisgrenze des GFAP-Biosensors wurde mit 86,6 fg/ml im Serum gemessen. Zusätzlich wurde unser Nano-Biosensor demonstriert

ZIELE

Primäres Ziel: Etablierung der klinischen Genauigkeit des GFAP-Nanobiosensors bei Patienten mit Gehirnerschütterung, die sich in der Notaufnahme von der Diagnose bis zur Genesung vorstellen. Sekundäres Ziel: Bewertung der Sensitivität und Spezifität des GFAP-Nanobiosensors zur Erkennung von Gehirnerschütterungen durch Vergleich von Gehirnerschütterungspatienten mit Kontrollen mit Verletzungen des Bewegungsapparates (MSK). Tertiäres Ziel: Bewertung der Beziehungen zwischen GFAP-Nanobiosensorkonzentrationen und psychologischen (Depression, Angstzuständen), physischen (Kopfschmerzen, Schlafstörungen usw.) Symptomen einer Gehirnerschütterung von der Diagnose bis zur Genesung. Quartäres Ziel: Bewertung der Korrelation zwischen Hormonkonzentrationen im weiblichen Menstruationszyklus (Progesteron, Östrogen) und GFAP-Nanobiosensorkonzentrationen.

METHODEN

Diese Studie hat ein Rekrutierungsziel von 150 (gleichgeschlechtliche Repräsentation) Patienten mit akuter Gehirnerschütterung, die sich im Alter von 18 bis 65 Jahren in der Notaufnahme (ED) des medizinischen Zentrums am Fuße der Berge vorstellen. Zusätzlich wird eine Gruppe von 75 (gleichgeschlechtliche Vertretung) Muskel-Skelett (MSK)-Verletzungskontrollen aus derselben ED innerhalb derselben Altersgruppe rekrutiert. In einem prospektiven Kohortendesign mit wiederholten Messungen werden Gehirnerschütterungspatienten einen ersten Besuch innerhalb von 1 Woche nach der Verletzung absolvieren, dann Nachsorgebesuche 2, 6 und 12 Wochen nach der Verletzung oder bis zur Genesung. Kontrollpatienten (MSK) führen alle Maßnahmen bei einem einzigen Besuch durch. Gehirnerschütterungspatienten, die sich 12 Wochen nach der Verletzung nicht erholt haben, werden gebeten, 6 Monate nach der Verletzung Fragebögen auszufüllen. Zu den Studienmaßnahmen gehören klinische Ergebnisbewertungen von Lebensqualität, globaler Gesundheit, Depressionen, Angstzuständen, Schlaf und Gehirnerschütterungssymptomen sowie Blutentnahmen. Gehirnerschütterungspatienten werden gebeten, die Post Concussion Symptom Scale (PCSS) täglich über einen Online-Link auszufüllen, der ihnen jeden Morgen zugesandt wird, um die Genesung zu überwachen. Für die Zwecke dieser Studie gilt ein Patient als genesen, wenn alle Symptome abgeklungen sind und 100 % auf einer gleitenden Skala angeben, die danach fragt, wie erholt sich der Patient von der Gehirnerschütterung fühlt. Alle anderen Fragebögen werden vor den ersten und nachfolgenden Blutentnahmen ausgefüllt. Die Forscher werden Gehirnerschütterungspatienten auch einen QR-Code zur Verfügung stellen, der mit der Website der Ermittler verknüpft ist, wo die Patienten Zugang zu Schulungsressourcen zu Gehirnerschütterungen haben, um die Verletzung zu verstehen. Die beiden Assay-Techniken werden anhand von Mittelwert-Detektions- und -Verteilungskurven und einer Bland-Altman-Analyse verglichen. Die Leistung des GFAP-Biosensor-Kits bei der Erkennung von Patienten mit unkomplizierten Gehirnerschütterungen und der Überwachung ihrer Genesung wird in Plasma und Serum bewertet. Die klinische Sensitivität und Spezifität des GFAP-Biosensors in Plasma und Serum wird anhand der Receiver Operating Characteristic (ROC)-Kurve im Vergleich zu SIMOA bewertet.