Nueva matriz de nanosensores para la detección de biomarcadores volátiles de la piel en la esclerosis múltiple (Nano-Skin-MS)

ANTECEDENTES La esclerosis múltiple (EM) es la enfermedad neurológica crónica más común que afecta a los adultos jóvenes, con un inicio generalmente a la edad de 20 a 40 años. La enfermedad se caracteriza por dos fenotipos principales: EM con recaída-remisión (EM-RR) y EM progresiva primaria (EM-PP). La EM-RR es el tipo de enfermedad más común y, para el tratamiento a largo plazo de la enfermedad, los pacientes se tratan con fármacos inmunomoduladores (IMD) que reducen la actividad de la enfermedad. La respuesta a la terapia varía entre los pacientes. Actualmente no hay biomarcadores disponibles para el diagnóstico y seguimiento de rutina de la EM. IgG oligoclonales en el LCR, que ayudan a confirmar el diagnóstico, requieren un procedimiento invasivo y no se correlacionan con la actividad de la enfermedad ni la respuesta a la terapia y la resonancia magnética, que permite monitorear la actividad de la EM y su tratamiento, es demasiado costosa para usarse de forma rutinaria. Además, los pacientes con EM-RR se encuentran bajo un estrés significativo, ya que el episodio de recaída puede aparecer instantáneamente sin que se reconozca ninguna señal de advertencia. Si se pueden identificar biomarcadores relacionados con la recaída, se podría desarrollar una posible prueba de predicción, que eventualmente podría permitir una acción médica adecuada antes de que la recaída se intensifique. Además, el diagnóstico precoz de la EM y la predicción de la recaída reducirían la tasa de acumulación de incapacidad y ahorrarían días de hospitalización.

Aquí, los investigadores proponen: explorar más a fondo la capacidad de una tecnología de detección simple y portátil para predecir y monitorear la EM a partir de muestras volátiles. La tecnología que se ha desarrollado en el laboratorio del Prof. Hossam Haick ha demostrado potencial para el diagnóstico de una serie de afecciones médicas, como enfermedades malignas, infecciosas y neurológicas, incluidos dos estudios clínicos sobre la EM (Broza et al 2017; Broza et al 2015; Ionescu et al 2011; Nakhleh et al 2017 y Peng et al 2009). El enfoque se basa en el hecho de que la membrana celular consiste principalmente en fosfolípidos anfipáticos, carbohidratos y muchas proteínas de membrana integrales que son distintas para diferentes tipos de células. En los procesos de enfermedad, las células sufren cambios estructurales que pueden conducir a un estrés oxidativo, es decir, una peroxidación de la membrana celular que provoca la emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV). Algunos de estos COV aparecen en composiciones de mezcla claramente diferentes, dependiendo de si una célula está sana o no. Se cree que el estrés oxidativo en la EM contribuye al daño tisular en las lesiones inflamatorias focales y está involucrado en la degeneración axonal difusa y la desmielinización (Gilgun-Sherki et al 2004). Lo que es particularmente significativo de este enfoque es que cada tipo de enfermedad tiene su propio patrón único de VOC y, por lo tanto, la presencia de una enfermedad generalmente no detectaría otros tipos de enfermedades. Estos COV se pueden detectar directamente en diferentes fluidos corporales como el aliento exhalado o la piel. En ciertos casos, el análisis del aliento y la piel ofrece varias ventajas potenciales: (a) las muestras de aliento/piel no son invasivas y son fáciles de obtener; (b) el aliento/la piel contiene mezclas menos complicadas que el suero o la orina; y (c) las pruebas cutáneas/de aliento tienen el potencial de monitoreo en tiempo real. El NA-NOSE realiza la detección de olores utilizando sensores de reacción cruzada amplia junto con métodos de reconocimiento de patrones (Broza et al 2017; Peng et al 2009). En contraste con el enfoque de "cerradura y llave", cada sensor en el NA-NOSE responde ampliamente a una variedad de odorantes. Esto aumenta la variedad de compuestos a los que son sensibles los diferentes sensores, lo que permite el análisis de biomarcadores en medios complejos de múltiples componentes.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN Y SIGNIFICADO ESPERADO

El tratamiento objetivo temprano en los episodios de recaída es crucial, sin embargo, no se dispone de herramientas suficientes para predecir e identificar los síntomas tempranos de un próximo episodio de recaída. Los investigadores han demostrado recientemente que los COV del aliento se pueden usar para clasificar entre pacientes con EM y sin EM (Broza et al 2017). El objetivo principal de la propuesta actual es hacer un seguimiento de este logro reciente y probar la plausibilidad del análisis de VOC basado en la piel para proporcionar información complementaria sobre los biomarcadores potenciales del tipo de enfermedad (RR-MS y PP-MS), así como el seguimiento de actividad de la enfermedad y, específicamente, predicción de episodios de recaída en pacientes con EM. Los objetivos del proyecto se lograrán mediante los siguientes objetivos específicos:

Objetivo 1: Estudiar la plausibilidad de los COV basados ​​en la piel como biomarcadores para el diagnóstico de EM. En esta parte, los investigadores 1) emplearán una metodología previamente desarrollada para el muestreo de piel de VOC y la adaptarán para pacientes con EM (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) Para determinar la especificidad de los hallazgos, los investigadores evaluarán más a fondo la diferencia en los perfiles de VOC entre pacientes con EM y sin EM (controles sanos) utilizando tecnología de sensores y/o espectrometría de masas con cromatografía de gases (GC-MS) (parte de que se planificará para un estudio de seguimiento). Cuando sea plausible, se realizará un subanálisis para detectar diferencias de VOC basadas en la piel entre pacientes con RR-MS y SP-MS y PP-MS Basado en el resultado del primer paso que identificará cambios volátiles entre MS y controles sanos de la piel. los investigadores evaluarán la plausibilidad de incluir grupos de población adicionales que no padezcan EM, como pacientes con otras enfermedades autoinmunes u otras enfermedades neurológicas. En caso afirmativo, se presentará la enmienda correspondiente.

Objetivo 2: identificar y caracterizar los COV de la piel como biomarcadores de la recaída clínica y la actividad de la enfermedad midiendo y analizando el perfil de los COV durante la recaída y la remisión. En función del resultado del primer paso, los investigadores probarán la capacidad de la prueba VOC basada en la piel para monitorear cambios sutiles en los metabolitos que podrían indicar el inicio, la progresión y la terminación del episodio de recaída. Se logrará mediante el trabajo de análisis del sensor y/o GC-MS para identificar cambios potenciales en los biomarcadores durante la recaída. En un estudio de seguimiento, los investigadores pretenden evaluar la recaída frente a la "pseudorrecaída".

Importancia esperada, el estudio propuesto podría tener un gran impacto en la atención médica y el bienestar de los pacientes con EM. El diagnóstico temprano y la predicción de la actividad de la enfermedad permitirán una intervención terapéutica temprana y personalizada, la prevención del daño neurológico irreversible y la acumulación de discapacidad relacionada, al mismo tiempo que se reducen los costos médicos. Además, el proyecto será un paso importante en la aplicación de nanosensores para la detección de biomarcadores en la investigación médica y la práctica de la teranóstica (terapia basada en el diagnóstico) hacia la implementación de la Medicina de Precisión.

PLAN DE ESTUDIO Recolección de muestras Los VOC relacionados con la piel se recolectarían usando parches de polidimetilsiloxano (PDMS) de diferentes lugares del cuerpo para sensores y/o análisis GC-MS. Los materiales absorbentes se adherirán a la piel en diferentes lugares (brazo/mano o pecho o frente), después de limpiar la piel con una toallita con alcohol y agua limpia. Los parches se cubrirán con papel de aluminio y se sellarán con cinta adhesiva médica hasta por una hora. Se recogerán un total de 2-4 parches de silicona para cada paciente en cada momento. Las muestras recolectadas en PDMS se transferirán a viales de vidrio y se almacenarán hasta 4 ˚C hasta que se envíen al Technion para el análisis NA-NOSE y GC-MS. Todas las muestras recogidas serán codificadas. Se evaluará la respuesta de señal de los sensores para encontrar los mejores sensores para la muestra. GC-MS proporcionará información inicial sobre el perfil de piel promedio de MS y control, y evaluará la necesidad de un ligero ajuste en el procedimiento de muestreo (p. ej., tiempo de muestreo).

Estadísticas Los patrones específicos y los modelos predictivos para las condiciones de EM estudiadas se derivarán de la salida de la matriz de sensores, utilizando métodos avanzados de reconocimiento de patrones como análisis de función discriminante (DFA), análisis de componentes principales (PCA), redes neuronales (NN) o similares. La importancia estadística de los resultados se determinará mediante el uso de pruebas paramétricas o a-paramétricas, como la prueba T de Student, Man Whitney o análisis de pares. Los valores p<0,05 se considerarán significativos.