Kontinuierliche Steroidüberwachung in interstitiellen Flüssigkeiten mit tragbarem und nanopartikelverstärktem Biosensoren für eine verbesserte Behandlung von Nebennierenerkrankungen

Um die Steroiddynamik in einer routinemäßigen Umgebung zu verfolgen, ist die Wahl der Körperflüssigkeit kritisch, da sie die Leichtigkeit und Häufigkeit der Sammlung bestimmt, die von Einzelpersonen toleriert wird. Während der Goldstandard auf dem Blutassay basiert, können mehrere Körperflüssigkeiten minimal invasiv zugänglich sein, einschließlich Urin, Schweiß, Atem, Speichel und interstitieller Flüssigkeit. Versprechender für die Steroidüberwachung ist eine interstitielle Flüssigkeit, da sie die Zusammensetzung des Blutplasmas aufgrund des kontinuierlichen Massenübergangs genau widerspiegelt. Tatsächlich wurde dies erst letztes Jahr unter Verwendung eines subkutan implantierten Mikrodialysekatheters nachgewiesen, der interstitielle Flüssigkeit mit einer Infusionspumpe sammelte. Um die Taille abgenutzt, wurden Proben 24 Stunden lang bei 214 Freiwilligen gesammelt und offline durch Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie/Massenspektrometrie (LC-MS/MS) analysiert. Auf diese Weise wurde Cortisol genau verfolgt und folgte einer ähnlichen Dynamik im Gewebe (d. H. Interstitielle Flüssigkeit) im Vergleich zu Blutplasma. Auf dieser Basis wurden krankheitsbedingte Unterschiede beispielsweise bei einem Patienten mit dem Cushing-Syndrom erhöhte Cortisolkonzentrationen festgestellt. Erweiterte Untersuchungen der Aldosteron- und Cortisol -Dynamik in interstitiellen Flüssigkeiten unter verschiedenen klinischen Szenarien von Hormonüberschuss und Mangel sowie die Validierung gegen Serummessungen sind jedoch erforderlich, um diese Methode für diagnostische und Behandlungszwecke festzulegen.

Dieses Projekt hat die übergeordneten Ziele, (1) dynamische interstitielle Aldosteron- und Cortisol -Überwachung als zuverlässiges diagnostisches Instrument für Cortisol- und Aldosteronüberschüsse oder -mangel zu ermitteln. Im Arbeitspaket 1 (Charakterisierung von interstitiellen Cortisol- und Aldosteronkonzentrationen): Der diagnostische Nutzen von Cortisol und Aldosteronmessung in der Interstitialflüssigkeit wird durch vergleichende Quantifizierung mit der Serumkonzentration durch LC-MS/ms bewertet. Daher werden interstitielle Flüssigkeit und Blut am Morgen bei gesunden Personen und Patienten (wenn Cortisol und Aldosteron die höchsten Spiegel erreichen) und bei dynamischen Tests zur Untersuchung von Nebennierenerkrankungen wie ACTH -Stimulationstest (Cosyntropin) -stimulationstest (der die Stimulations -Überladung der Spitzen -Cortis -Reaktion) sowie bei der Stimierung des Seinwesens (, die sich mit dem Seinwesen des Sodiagranges und der Auswertung des Sodiaghughuhns bewertet und salid) und salid) und salid) und salid) und salzisch und salid) und salid) und salzisch und salid und salzisch) und salid) und salztisch und salid und salzisch und salid und salid und salid und salid und salid und salid und salid (shalid Infusion) gesammelt werden. Da eine kontinuierliche interstitielle Flüssigkeit noch nicht möglich ist, werden im Handel erhältliche hohle Mikronadelgeräte für die einzelnen TimePoint -Extraktion verwendet.

Haupthypothese 1: Die Cortisol- und Aldosteronkonzentrationen in interstitieller Flüssigkeit spiegeln ausreichend gute Blutserumkonzentrationen wider, um die normale Steroidsekretion und den Beginn von Cortisol- und Aldosteronstörungen zuverlässig anzuzeigen.

In diesem ersten Schritt führen die Forscher einen paarweisen Vergleich der Cortisol- und Aldosteronkonzentrationen in interstitiellen Flüssigkeiten mit Serummessungen durch. Diese Studie wird den verantwortlichen Ethikausschüssen von USP vorgelegt. Die schriftliche Einverständniserklärung wird von allen Teilnehmern unterzeichnet. Die Forscher werden 150 Personen bewerten, darunter gesunde Kontrollen und Patienten mit Nebennierenhyper- und Hypofunktion, die zur Bewertung in der ambulanten Klinik der Nebenniereneinheit, Abteilung für Endokrinologie, USP, überwiesen werden. Die klinische und hormonische Bewertung der eingeschriebenen Patienten mit Nebennierenerkrankungen werden den Standardrichtlinien der endokrinen und europäischen Gesellschaft der Endokrinologie folgen. Alle gesunden Kontrollen (ohne frühere Diagnose einer Nebennierenerkrankung) haben einen Termin, um einen Fragebogen zur Krankengeschichte auszufüllen und Blutuntersuchungen zu sammeln.

Individuen (Männer und Frauen) älter als 18 Jahre haben Anspruch auf Einbeziehung. Patienten, die ein breites Spektrum von Nebennierenerkrankungen abdecken, werden rekrutiert: Cortisol- und Aldosteronmangel (primäre Nebenniereninsuffizienz), Cortisol -Überschuss (Cushing -Syndrom) und Aldosteron -Überschuss (primärer Aldosteronismus). Ein einzelner Zeitpunkt jedes Teilnehmers wird am Morgen nach dem Fasten über Nacht und ohne morgendliche Medikamente bewertet. Diese Basisbewertung ermöglicht es, Material mit normaler, niedriger (Nebenniereninsuffizienz) und hohem (Cushing -Syndrom bzw. primärem Aldosteronismus) Nebennierensteroidgehalt zu probieren. Darüber hinaus wird der ACTH -Stimulationstest (intravenöser 250 µg Cosyntropin) bei gesunden Kontrollen durchgeführt, und Patienten untersucht die Nebenniereninsuffizienz und der primäre Aldosteronismus, um interstitielle Aldosteron- und Cortisolspiegel mit dem Peak von Serum -Cortisol und Aldosteron nach 1H von ACTH -Stimulus zu korrelieren. Der Kochsalzinfusionstest (intravenöser 2 Liter 0,9% Kochsalzlösung über 4H) wird bei den untersuchten Patienten im primären Aldosteronismus durchgeführt. Diese dynamischen Tests werden in einem dynamischen Testraum in der ambulanten Klinik durchgeführt, das mit einem Team von Endokrinologen, Krankenschwester und Technikern zählt, die für die endokrine dynamische Bewertung trainiert wurden. Ausschlusskriterien werden wie folgt sein: Verwendung von östrogenhaltigen oralen Verhütungsmedikamenten in den letzten 6 Wochen; Schwangerschaft oder Laktation; Verwendung von oralen, inhalierten, parenteralen oder topischen Glukokortikoiden innerhalb der letzten 30 Tage. Basalprobenerfassung und dynamische Tests werden beim Fasten zwischen 8 und 10 Uhr durchgeführt.

In der Arbeitspaket 2 (Festlegung von Hohlmikronedeln für die kontinuierliche interstitielle Flüssigkeitsextraktion) zeigen die Forscher den direkten Druck von Mikronadeln auf Polymerbasis mit optimierten mechanischen und flüssigen dynamischen Eigenschaften auf mikrofluidische Chips für die kontinuierliche interstitielle Flüssigkeitsextraktion: Eine mühsame Extraktion für kontinuierliche interstitielle Flüssigkeiten wird entwickelt. Es besteht aus hohlen Mikronadeln, die direkt 3D-Druck auf mikrofluidische Chips haben. Die Nadeln basieren auf biokompatiblen Polymer, um die Hautreizungen während einer längeren Anwendung zu minimieren, während die mikrofluidischen Chips durch skalierbare Mikromachinierung hergestellt werden. Die Nadeldurchdringungstiefe und -stabilität werden an Analoga menschlicher Haut getestet, während dynamische Eigenschaften und Extraktionsraten von Flüssigkeiten mit künstlicher interstitieller Flüssigkeit bewertet werden.

Haupthypothese 2: Interstitielle Flüssigkeit kann über verlängerte Zeiträume mit hohlen Mikronadeln basierend auf biokompatiblen Materialien nicht-invasiv und kontinuierlich zugänglich sind.

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 rapidly reversible sensing for Kontinuierliche Biomarker -Überwachung: Der Rezeptor basiert auf Aptameren, die auf Nanopartikeln immobilisiert sind, um die Analytbindung zu erfassen und die Konzentrationen elektrochemisch zu quantifizieren. Die Nanopartikel werden auch mit plasmonischen Clustern (z. B. AU oder Ag) besiedelt, um als Wärmequelle zu dienen, wenn sie durch Licht aktiviert werden, um die Analysefreisetzung auszulösen. Die von Cluster beladenen Nanopartikel werden in kontrollierter Zusammensetzung und Größe durch Flame-Aerosol-Technologie konstruiert und direkt auf mikrofluidische Plattformen als poröse Filme abgelagert.

Haupthypothese 3: Aptamere ermöglichen eine selektive Bindung von Cortisol und Aldosteron. Durch die Immobilisierung dieser Aptamere auf Nanopartikeln werden Bindungsereignisse während der elektrochemischen Erfassung erkannt. Die Wiederherstellung des Sensors wird ermöglicht, indem thermoplasmonische Effekte ausgesetzt werden, wenn sie Licht ausgesetzt sind, um die Freisetzung des Analyten durch lokale Erwärmung auszulösen. Die poröse Filmmorphologie des Erfassungsfilms ermöglicht einen schnellen Massenübergang des Analyten.

Basierend auf den von USP gemäß WP1 ermittelten Leistungsanforderungen wird Biosensor bei ETH Zürich entwickelt, um Echtzeit und kontinuierliche Quantifizierung von Cortisol und Aldosteron durchzuführen, um Längsschnittprofile bereitzustellen.

In der Arbeitspaket 4 (klinische Validierung von tragbarem Aldosteron und Cortisolsensor bei Nebennierenerkrankungen) wird der unter WP2 und WP3 entwickelbare Biosensor als diagnostisches Instrument für Nebennierenerkrankungen bewertet. Die schriftliche Einverständniserklärung wird von allen Teilnehmern nach der Genehmigung der Ethikkommissionen von USP von allen Teilnehmern unterzeichnet. Alle Teilnehmer werden in der ambulanten Klinik der Nebenniereneinheit, Abteilung für Endokrinologie, USP, bewertet. Die dynamischen Tests (ACTH -Stimulation und Kochsalzinfusionstests) werden in einem dynamischen Testraum in der ambulanten Klinik durchgeführt, das mit einem Team von Endokrinologen, Krankenschwester und Technikern zählt, die für die endokrine dynamische Bewertung trainiert wurden. Die klinische und hormonische Bewertung der eingeschriebenen Patienten mit Nebennierenerkrankungen werden den Standardrichtlinien der endokrinen und europäischen Gesellschaft der Endokrinologie folgen. Alle gesunden Kontrollen (ohne frühere Diagnose einer Nebennierenerkrankung) haben einen Termin, um einen Fragebogen zur Krankengeschichte auszufüllen und Blutuntersuchungen zu sammeln. Die Teilnehmer werden gebeten, eine regelmäßige Schlafenszeit aufrechtzuerhalten, sich auf Alkohol zu verzichten und vor und während des Biosensor -Gebrauchs anstrengende körperliche Aktivität zu vermeiden. Darüber hinaus werden die Teilnehmer gebeten, ein Aktivitätstagebuch abzuschließen, einschließlich Aufzeichnungen über Lebensmitteltyp und Timing, Schlafzeitpunkt und unerwarteter Ereignis während der Zeit mit dem Biosensor. 96 Prototypen werden von ETH auf USP übertragen und in den folgenden Untergruppen unter den angegebenen Bedingungen in den folgenden Untergruppen getestet:

Kontrollen: 32 gesunde Freiwillige werden am Morgen des zweiten Tages des kontinuierlichen Cortisol- und Aldosteronmessungen während des ACTH -Stimulationstests (intravenöser 250 µg Cosyntropin) getestet.

Cortisol -Störungen: 32 Patienten mit Nebenniereninsuffizienz oder Cushing -Syndrom werden während eines ACTH -Stimulationstests am zweiten Tag kontinuierlicher Steroidmessungen getestet.

Primärer Aldosteronismus: 32 Patienten, die wegen primärer Aldosteronismus untersucht werden, werden kontinuierlich überwacht. Der Salzinfusionstest (intravenöser 2 l 0,9% Kochsalzlösung über 4H) wird am zweiten Tag der kontinuierlichen Messungen von Aldosteron und Cortisol durchgeführt.

Als weiterer Schritt der Biosensor-Validierung werden am Morgen (8 bis 10 Uhr) Blutproben und während der dynamischen Tests (ACTH-Stimulation und Kochsalzinfusionstests) zur Messung von Cortisol und Aldosteron durch LC-MS/MS entnommen. Die Korrelation zwischen Serum -Cortisol- und Aldosteronkonzentrationen und den mit dem Biosensor erhaltenen interstitiellen Messungen wird analysiert. Während der Zeit des Biosensor -Gebrauchs werden für jeden Patienten die Gesamtfläche unter der Kurve (AUC), dem Morgengipfel und dem Nachtnadir von Cortisol und Aldosteron -Interstitialen Messungen berechnet. Diese Maßnahmen werden zwischen Patienten mit Nebennierenerkrankungen und gesunden Kontrollen verglichen, um die diagnostischen Anwendungen der interstitiellen Cortisol- und Aldosterondynamik zu bestimmen.

Diese vier Herausforderungen werden von einem interdisziplinären Team bei USP (Clinical) und ETH (Engineering) über vier Arbeitspakete (WP) angesprochen, die sich auf die Interstitial -Fluid -Charakterisierung (WP1), der Mikronedle -Stichproben (WP2), das Biosensing (WP3) und die klinische Validierung (WP4) des resultierenden Wears -Prototyps konzentrieren.