Nanoteknologia multippeliskleroosin havaitsemiseen verrattuna autoimmuuni- ja neurologisiin sairauksiin uloshengitetyistä näytteistä

MS on yleisin nuorten aikuisten krooninen neurologinen sairaus, joka alkaa yleensä 20–40-vuotiaana. Naiset sairastuvat 3-4 kertaa enemmän kuin miehet. Se on monimutkainen monitekijäinen sairaus, jonka taustalla ovat sekä geneettiset että ympäristötekijät. Eri populaatioilla on erilainen herkkyys (Compston ja Coles 2008).

Taudille on ominaista 2 pääfenotyyppiä: uusiutuva-remittiivinen tai etenevä kulku. Kliininen vamma johtuu keskushermoston myeliinin (pääasiassa oligodendrosyyttien) tuhoutumisesta kolmen prosessin seurauksena (Franklin 2002; Franklin ja Ffrench-Constant 2008; Frischer, Bramow et al. 2009):

1. Tulehdus - immuunisolut, joilla on poikkeava aktiivisuus, tunkeutuvat aivoihin ja selkäytimeen ja aiheuttavat keskushermoston myeliinin tuhoutumisen (prosessia kutsutaan demyelinisaatioksi ja sekundaariseksi hermosolujen rappeutumiseksi - aksonien ja hermosolujen menetys)
2. Primaarinen hermoston rappeuma (aksonien ja hermosolujen menetys) - ilman näkyvää tulehdusta

3. Korjaus - tulehduksellisia ja hermostoa rappeuttavia prosesseja seuraa keskushermoston yritys korjata - tämä osittainen ja epätäydellinen korjaus on kuitenkin usein jäännöspuutosten ja vamman perusta (Chandran, Hunt et al. 2008).

   • Akuutti MS-taudin uusiutuminen (halvauksena, näönmenetyksenä jne.) - katsotaan johtuvan poikkeavasta akuutista immuuniaktivaatiosta ja tulehdusprosessista keskushermostossa.
   • Krooninen kertyvä vamma - katsotaan johtuvan neurodegeneratiivisesta prosessista.

Korjausprosessit havaitaan pääasiassa akuutin uusiutumisen jälkeen - ja toiminnan palautuminen voi tapahtua spontaanisti. Kuitenkin vaikeissa pahenemisvaiheissa joskus tarvitaan STEROIDILOITOA (Tischner ja Reichardt 2007).

Taudin lisääntyneen ymmärryksen jälkeen kehitettiin uusia immuunihoitoja (COPAXON /; Interferoni -beta ) viimeisten 10-15 vuoden aikana pitkäaikaista hoitoa varten. Nämä voivat kuitenkin lieventää sairautta (vähentää uusiutumisten määrää vuodessa), mutta eivät paranna sitä. Lisäksi niistä on hyötyä vain ~ 40 %:lle uusiutuvista ja taudistavista potilaista. Tällä hetkellä ei ole olemassa hoitoja potilaille, joilla on progressiivinen sairaus - joiden vamma on asteittain lisääntynyt (Murray 2006).

Tällä hetkellä ei ole saatavilla biomarkkereita MS-taudin diagnosointiin ja rutiininomaiseen seurantaan. Oligoklonaalinen IgG aivo-selkäydinnesteessä - jotka auttavat vahvistamaan diagnoosin, vaativat invasiivisen toimenpiteen eivätkä korreloi sairauden aktiivisuuden tai hoitovasteen kanssa; ja MRI, joka mahdollistaa MS-aktiivisuuden seurannan ja hoitovasteen on liian kallista rutiininomaiseen käyttöön (Link ja Huang 2006; Murray 2006).

Tohtori Hossam Haick Techniosta kehitti elektronisen nenän sairauksien diagnosointiin hengitysnäytteiden avulla. Tohtori Haickin aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että kultananohiukkasiin perustuva elektroninen nenä voisi muodostaa perustan edulliselle ja ei-invasiiviselle keuhkosyövän (Peng, Tisch ym. 2009) ja munuaissairauksien (Haick, Hakim et al. 2009) diagnostiselle työkalulle. ).

Tutkimushypoteesi Keskushermoston tulehduksen ja/tai neurodegeneraation ja/tai keskushermoston korjauksen biomarkkerit voidaan havaita "elektronisella nenällä" MS-tautia sairastavien henkilöiden hengitysnäytteistä.

Tavoite(t)

Biomarkkerien tunnistaminen:

1. Keskushermoston tulehdus ja keskushermoston autoimmuniteetti
2. Neurodegeneraatio

3. Keskushermoston korjaus

   • jotka voivat toimia merkkiaineina: sairaus (vs kontrollit), taudin aktiivisuus (ennustaa aggressiivista taudin kulkua, ennustaa uusiutumista; ennustaa pahanlaatuista vs. hyvänlaatuista MS-tautia); vaste hoitoon (steroidit, immunoterapiat tai hermostoa suojaavat aineet).

Työsuunnitelman pääpiirteet:

Arvioi muutama ryhmä kliinisesti:

• MS-potilaat akuutissa relapsissa ennen 7, 30 ja 90 päivän steroidihoidon jälkeen - arvioidakseen akuutin tulehdusprosessin indikaattoreita ja steroidihoidon vaikutuksia.
• Uusiutuvat MS-potilaat vs. Progressiiviset MS-potilaat vs. kontrollit, jotka sisältävät terveitä yksilöitä sekä potilaita, jotka kärsivät muista neurologisista ja autoimmuunisairauksista kuin MS-taudista - tulehduksellisten ja hermostoa rappeutuvien indikaattoreiden arvioimiseksi.
• MS-potilaat, jotka reagoivat hyvin tai huonosti immuunihoitoon tai steroideihin.

HENGITYKSET:

Vapaaehtoisten alveolaarinen hengitys kerätään "offline"-menetelmällä, joka erottaa tehokkaasti endogeeniset haihtuvat biomarkkerit eksogeenisesta hengityksestä ja sulkee pois nenän kulkeutumisen. Kaksi pussia, joissa on 750 ml hengitysnäytteitä per vapaaehtoista kerätään inertteihin Mylar-pusseihin (Eco Medics, Duerten, Sveitsi). Höyryn näytteenotto suoritettiin pidennetyllä hengityksen näytteenotolla keräyslaitteeseen 15-20 minuutin ajan, useita pysähdyksiä tämän prosessin aikana. Ensimmäiset kolme minuuttia hengitysnäytteenottoa jätetään pois ylähengitysilman mahdollisen saastumisen vuoksi. Seuraava syvä ilma säilytetään testausta varten. Näytteet kerätään putkella, joka laitettiin vapaaehtoisen suuhun ja liitettiin keräyspussiin. Kaikki osallistujat antavat allekirjoitetun tietoon perustuvan suostumuksen tähän tutkimukseen, joka suoritetaan Carmel Medical Centerin Helsingin komitean ja Technionin ihmiskokeiden valvontakomitean hyväksynnän jälkeen ja ohjeiden mukaisesti.

Hengitysnäytteiden KEMIALLINEN ANALYYSI:

Kaasukromatografiaa/massaspektrometriaa (GCMS-QP2010; Shimadzu Corporation, Japani) yhdistettynä lämpödesorptiojärjestelmään (TD20; Shimadzu Corporation, Japani) käytetään hengitysnäytteiden kemialliseen analyysiin. Hengitysnäytteiden VOC-yhdisteiden esikonsentroimiseen käytetään Tenax® TA -adsorbenttiputkea (Sigma Aldrich Ltd.). Räätälöidyn pumppujärjestelmän avulla Mylar-pussien hengitysnäytteet imetään TA-putken läpi 100 ml/min virtausnopeudella, minkä jälkeen ne siirretään lämpödesorptioputkeen (TD) (Sigma Aldrich Ltd.) ennen analysointia. GC-MS:llä. Seuraava uunin lämpötilaprofiili asetettiin: (a) 10 min 35 °C:ssa; (b) 4 °C/min ramppi 150 °C:seen asti; (c) 10 °C/min nousu 300 °C:seen asti; ja (d) 15 minuuttia 300 °C:ssa. Käytetään SLB-5ms kapillaarikolonnia (Sigma Aldrich Ltd.), jossa on 5 % fenyylimetyylisiloksaania (pituus 30 m, sisähalkaisija 0,25 mm ja paksuus 0,5 um). Splitless-injektiomoodia käytetään 2 minuutin ajan, vakio lineaarisella nopeudella 30 cm/s ja kolonnin virtauksella 0,70 ml/min. VOC-yhdisteiden molekyylirakenteet määritetään standardin modulaarisen sarjan avulla käyttämällä 10 ppm isobutyleeniä (Calgaz, Cambridge, Maryland, USA) vakiokalibrointikaasuna jokaisen ajon aikana. GC-MS-kromatogrammianalyysi toteutetaan käyttämällä GCMS-liuosten versiota 2.53SU1 post-run -analyysiohjelmaa (Shimadzu Corporation) käyttäen National Institute of Standards and Technology (NIST) -yhdistekirjastoa (Gaithersburg, MD 20899-1070, USA).

ANTURIN MITTAUKSET:

Hengitysnäytteiden ja anturin välisessä vuorovaikutuksessa haihtuvat orgaaniset yhdisteet adsorboituvat anturimateriaalin orgaaniseen osaan. Tämän adsorption tulos muunnetaan sähköiseksi signaaliksi (resistanssiksi), joka välitetään makromaailmaan (esim. näyttöön). laitteen) samasta kalvosta löytyvän (puoli)johtavan materiaalin kautta. Tulokset esitetään sitten tietokoneen näytöllä.

Mittausten suorittamiseen käytetään automaattista järjestelmää, jota ohjataan mukautetun LabView (National Instruments) -ohjelman avulla. Anturit testataan samanaikaisesti, samassa valotuskammiossa käyttämällä Agilent 34980A -monitoimikytkintä. IEEE 488 -väylällä ohjattua Stanford Research System SR830 DSP -lukitusvahvistinta käytetään AC-jännitesignaalin syöttämiseen (0,2 V 1 kHz:llä) ja vastaavan virran mittaamiseen (<10 μA tutkituissa laitteissa). Tämä asetus mahdollistaa jo 0,01 %:n normalisoitujen muutosten mittaamisen konduktanssissa. Anturin vastusta hankittiin jatkuvasti kokeiden aikana. Tunnistuskokeita suoritettiin jatkuvasti käyttämällä myöhempiä altistussyklejä (katso SOI, osa 2).

TIETOJEN ANALYSOINTI:

Ominaisuudet poisto. VOC-analyysiä varten kustakin anturin vasteesta erotetaan kolme parametria: (i) anturin resistanssin normalisoitu muutos valotuksen keskellä (S1); (ii) anturin resistanssin normalisoitu muutos valotuksen lopussa (S2); ja (iii) vastekäyrän alla oleva pinta-ala (S3). S1 ja S2 lasketaan anturin vastuksen arvon perusteella ennen valotusta. Hengitysanalyysiä varten kustakin anturin vasteesta (joko kontrolli-VOC:lle tai jokaiselle hengitysnäytteen vapautumiselle) erotetaan kaksi parametria: (i) anturien resistanssin normalisoitu muutos pian altistuksen jälkeen (S4); ja (ii) anturien resistanssin normalisoitu muutos valotuksen keskellä (S5). S4 ja S5 lasketaan anturin vastuksen arvon perusteella ennen valotusta. Näihin parametreihin sovelletaan jälkikäteen kompensointi- ja kalibrointiprosessia, jotta anturin vasteista säilytetään vain tiedot, jotka liittyvät niiden vasteeseen hengitysnäytteiden VOC-yhdisteisiin. Sitten lasketaan kahden peräkkäisen altistuksen aikana samalle näytteelle saatujen parametrien keskiarvot.