Yleisten suun sairauksien diagnoosi haihtuvien signature-profiilien perusteella

Muinaisen Kreikan lääkärit ymmärsivät, että potilaiden hengityksen haistaminen voi auttaa diagnoosissa. Vaikka tämä melko primitiivinen diagnostinen menetelmä ei kuitenkaan ole juurikaan muuttunut vuosisatojen aikana, viime vuosina on ollut kasvava kiinnostus parantaa lukuisten aineenvaihdunta- ja tartuntatautien ei-invasiivisia varhaisen diagnoosin menetelmiä.

Tällä hetkellä monet sairaudet jäävät huomaamatta ja pahenevat viivästyneen diagnoosin vuoksi. Hammaslääketieteessä potilaat välttelevät hammaslääkärin käyntiä edes säännöllisissä tarkastuksissa, ja siksi he saapuvat klinikalle vasta sairauden myöhemmässä, pitkälle edenneessä vaiheessa, kärsiessään helposti ehkäistävissä olevasta kivusta ja epämukavuudesta ja ilmaantuu myöhään. tautia, mikä vaarantaa hoidon tuloksen.

Näistä syistä tarvitaan kiireesti edullista ja minimaalisesti invasiivista teknologiaa, joka toimisi diagnostisena apuvälineenä mahdollistaen 1) tehokkaan varhaisen havaitsemisen ja 2) hoidon räätälöinnin.

Diagnostiset menetelmät, jotka perustuvat haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (tästä lähtien VOC-yhdisteiden), eli orgaanisten yhdisteiden, joiden höyrynpaine on suhteellisen korkea huoneenlämpötilassa, havaitsemiseen voivat olla vastaus edellä mainittuun tarpeeseen.

"Elektroniset nenät" haihtuvien orgaanisten yhdisteiden havaitsemiseen uloshengitysilmasta Sairaudelle spesifisiä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä tuotetaan pääasiassa kehon tiettyjen biokemiallisten reittien muutosten kautta. Joko ihmisen tai bakteerisolujen tuottaman VOC-yhdisteitä voidaan löytää kehon nesteistä, mukaan lukien muun muassa infektoituneet solut ja/tai niiden mikroympäristö, veri, hengitys ja sylki. Siten alkuperästään vapautuneet VOC-yhdisteet voidaan havaita suoraan verestä ja solujen ylätilasta.

Lukuisat maailmanlaajuiset tutkimusryhmät tutkivat mahdollisuutta ei-invasiiviseen VOC-detektioon uloshengitysilmasta, mikä mahdollistaa erilaisten systeemisten sairauksien6 diagnosoinnin, mukaan lukien karsinoomat (keuhko-, rinta- ja kolorektaalisyöpä), tuberkuloosi, munuaisten vajaatoiminta ja astma. Kyseiset VOC-yhdisteet ovat alkaaneja (C4-C20), metyylialkeeneja ja bentseenijohdannaisia, joita esiintyy terveillä yksilöillä pitoisuuksina 1-20 ppb (miljardiosa), kun taas taudeissa sairauskohtaisten VOC-yhdisteiden pitoisuus kasvaa. VOC-yhdisteitä oletetaan tuottavan oksidatiivisen stressin vuoksi kärsivän kudoksen, maksan osana metabolista reaktiota tai immuunijärjestelmän tuottaman.

"Elektroninen nenä" on laite, joka pystyy tunnistamaan ilmanäytteen haihtuvan koostumuksen. Laite koostuu joukosta nanoreseptoreita, jotka pystyvät muuttamaan fyysistä tai kemiallista tietoa sähköisiksi signaaliksi. Jokainen ryhmän reseptori reagoi eri tavalla analysoidun näytteen materiaaleihin, ja näiden useiden reseptoreiden vasteiden yhdistelmä tuottaa ainutlaatuisen haihtuvan profiilin, joka on erotettavissa laadun (eli mitä molekyylejä näytteestä löytyy?) ja määrän (eli mikä on kunkin molekyylin tarkka pitoisuus?).

Ilmanäyteanalyysin elektronisen nenäjärjestelmän tulisi yleensä koostua kolmesta avainkomponentista:

1. Breath / headspace keräyslaite
2. Käsittelylaite
3. Luokittelualgoritmi. Ensimmäiset ja yleisimmät tällaiset laitteet perustuvat ilmanäyteanalyysiin kaasukromatografia-/massaspektrometriajärjestelmässä (GC-MS). Kehittyneisiin järjestelmiin kuuluvat metyylioksidianturit (MOS) tai nanoreseptorit.

Nanoreseptoripohjaista elektronista nenäjärjestelmää (NaNose) kehitetään co-PI:n laboratoriossa (Prof. Haick, Faculty of Chemical Engineering, Technion, Haifa, Israel), joka pystyy havaitsemaan VOC-jäämiä yksittäisten osien pitoisuuksina miljardia kohden (1 µg/l). Yhdistettynä tietokoneistettuun järjestelmään, joka pystyy analysoimaan suuria tietomääriä sadoista molekyyleistä, jotka havaitaan samanaikaisesti 20 tai useamman reseptorin ryhmällä, tämä järjestelmä ylittää muut "elektroniset nenät" herkkyydessään ja tehokkuudessaan. Toisin kuin kalliit ja hitaat GC-MS-järjestelmät, ihanteellisen nanomateriaalipohjaisen anturin hengitystestaukseen tulisi olla herkkä erittäin pienille haihtuvien orgaanisten yhdisteiden pitoisuuksille, jopa ympäristöllisten tai fysiologisten häiritsevien tekijöiden läsnä ollessa. Sen tulisi myös reagoida nopeasti ja suhteellisesti pieniin pitoisuuden muutoksiin ja tarjota johdonmukainen tulos, joka on ominaista tietylle yhdisteelle. Kun anturin ei ole kosketuksissa kyseisten yhdisteiden kanssa, sen tulisi palata nopeasti perustilaansa tai olla riittävän yksinkertainen ja edullinen kertakäyttöiseksi.

Ilmanäytteenoton tällaisilla reseptoreilla tulisi olla verrattain yksinkertaista ja sen tulokset voidaan tulkita automaattisesti, mikä tekee siitä sopivan kustannustehokkaaseen suurten populaatioiden seulomiseen. Vain positiivisesti testatut potilaat tarvitsevat tavanomaista ja epämiellyttävää diagnostiikkaa varhaisen diagnoosin vahvistamiseksi, ennen kuin hoitoa ehdotetaan.

Kaikilla olemassa olevilla VOC-pohjaisilla diagnostisilla menetelmillä on kuitenkin taipumus unohtaa, että uloshengitysilma on yhdistelmä useista lähteistä - keuhkoista, ylemmästä ruoansulatuskanavasta ja suuontelosta, jossa on pieni nenäkomponentti. Vaikka keuhkoista tulevan ilman koostumusta ja haihtuvia profiileja tutkittiin perusteellisesti viime vuosikymmenen aikana keinona löytää varhainen diagnostinen lähestymistapa syöpään10,15, suun kautta otettava komponentti pysyi suurelta osin koskemattomana.

Terveiden yksilöiden suuontelon mikroraot sisältävät biofilmiä, joka voi sisältää yli 1000 erilaista bakteerilajia. Aktiivisen mekaanisen tai kemiallisen puhdistuksen puuttuessa biofilmi kerääntyy, muuttuu ja kypsyy aiheuttaen pehmytkudostulehduksen, joka tunnetaan nimellä ientulehdus. Joillakin yksilöillä ja tietyissä olosuhteissa tulehdus etenee parodontaalisairauteen, ja biokalvon koostumus muuttuu suuremmaksi osaksi anaerobisia gramnegatiivisia bakteereja, joilla on lisääntynyt virulenssi ja kudosten rikkoutumiskyky. Biokalvomikro-organismien lisäksi muita VOC-lähteitä suuontelossa voivat olla seerumi, ienneste, tulehtunut ikenikudos, haavaumat ja leesiot, sylkirauhasiin liittyvät sairaudet, poskiontelot ja nenäontelot, ruoansulatuskanavan refluksi, hampaiden väliin jääneet ruokajätteet ja ympäristösaasteet. . Hertel et ai. on hiljattain raportoinut ainutlaatuisista haihtuvista profiileista tiettyjen suun bakteerien ja sienten ylätilassa.

Oletamme, että nanoreseptoripohjaista volatolomiikkaa voidaan käyttää diagnostisena menetelmänä suun sairauksien ei-invasiiviseen varhaiseen diagnosointiin uloshengitysilman näytteen perusteella.

Ehdotetulla tutkimuksella pyritään luomaan perusta nopealle, käyttäjäystävälliselle ja ei-invasiiviselle NaNoseen perustuvalle diagnostiselle menetelmälle yleisten suun sairauksien uloshengitysilmanäytteissä. Tämä toimii lähitulevaisuudessa pohjana markkinoitavan kliinisen tai kotikäyttöisen diagnostisen laitteen luomiselle.

Erityiset tavoitteet:

1. Yleisiin suun sairauksiin liittyvien VOC-yhdisteiden havaitseminen ja analysointi ientulehduksesta, parodontaalista tai kariesta sairastavien potilaiden suuonteloista otettujen mikro-organisminäytteiden päätiloissa ja vertailu terveiden potilaiden kontrolliryhmään.
2. Yleisten suusairauksien haihtuvien profiilien karakterisointi ja spesifioitujen diagnostisten nanoreseptorien määrittely.

Halutut tulokset

1. Ehdotetun tutkimuksen tulokset voivat johtaa vallankumoukseen hammaslääketieteen ammattilaisten keskuudessa sekä kotihoidossa. Toistaiseksi ainoa tapa, jolla henkilö saa tietää suun tilastaan, on varata aika hammaslääkärille, mutta huomattava osa väestöstä välttää säännöllisiä tarkastuksia ja hoitoja. Helppo työkalu, joka mahdollistaa yksinkertaisen ja ei-invasiivisen ilmanäytteenoton kotona tai apteekissa, parantaa merkittävästi potilaiden hoitomyöntyvyyttä ja parantuvuutta sekä vähentää terveydenhuoltokuluja.
2. Suuontelosta peräisin olevan ilman VOC-kartoitus voi lisätä keuhkoista peräisin olevien ilmanäytteiden diagnostista arvoa, mikä parantaa syövän, munuaisten vajaatoiminnan ja muiden sisäsairauksien ei-invasiivisen varhaisen diagnoosin tarkkuutta, herkkyyttä ja spesifisyyttä.

menetelmät

Vaihe 1 - Tavallisiin suun sairauksiin liittyvien VOC-yhdisteiden havaitseminen ja analysointi Tunnetut bakteerikannat (Streptococcus mutans, Streptococcus sanguinis, Porphyromonas gingivalis, Fusobacterium nucleatum, Acinetobacter actinomycetemcomitans, Tannerella forsythiaa sisältävät erillinen pullotusaine, Lacphilusbacillus) suljetaan tarkoituksenmukaisesti. mahdollistaa pullojen sisällä olevan ainutlaatuisen ylätilan kerääminen ja analysointi. Viljelyn jälkeen ylätila kerätään Tenax-imukykyiseen putkeen (Sigma-Aldrich, 28718-U SUPELCOTenax® TA / Carboxen® 1018) ja analysoidaan GC-MS:ssä (kaasukromatografia-massaspektrometria). Jokaisen bakteerikannan ainutlaatuinen haihtuva profiili määritetään tilastollisen analyysin avulla. Täydellinen kokeiluprotokolla on saatavilla alla olevassa lisäyksessä 1.

Jokaisella kannalla suoritetaan kolme (3) toistoa.

Vaihe 2 – Yleisten suusairauksien haihtuvien profiilien karakterisointi ja spesifioitujen diagnostisten nanoreseptorien määrittäminen Testattavat näytteet ovat suun bakteeriplakkia ja infektoitunutta dentiiniä, joita viljellään suljetuissa pulloissa samalla tavalla kuin vaiheessa 1.

Potilaat tulevat opiskelijoiden klinikoilta, ja näytteet otetaan osana heidän hammashoitoaan eli karieksen ja infektoituneen dentiinin poistoa tulevaa ennallistamista varten sekä hammaskiven ja plakin poistoa parodontiitin hoitoon.

1. Hoitoistunnon alussa potilaalta hankitaan tietoinen suostumus, jossa hyväksytään poistetun plakin/tartunnan saaneen dentiinin käyttö tutkimuksessa. Mitään poikkeamista tavanomaisesta hoitoprotokollasta ei odoteta.

   1. Parodontaalipotilaiden plakkinäyte otetaan ennen hilseilyn alkamista manuaalisella työkalulla (Gracey 5-6 curette) alaleuan etuhampaiden kohdunkaulan alueelta.
   2. Infektoitunut dentiininäyte karieshampaista otetaan manuaalisella työkalulla (Spoon Excavator) sen jälkeen, kun valmistetun ontelon alkuperäinen muoto on hahmoteltu.
2. Kerättyjä näytteitä viljellään sitten suljetuissa pulloissa, jotka sisältävät Wilkins-Chalgren-elatusainetta, 37 °C:ssa 48 tuntia, samalla tavalla kuin vaiheessa 1 edellä. Kontrollina käytetään pulloa, jossa on steriiliä väliainetta.
3. Tämän jälkeen ylätila kerätään ja analysoidaan samalla tavalla kuin edellä vaiheessa 1 kohdissa 5-8.
4. Tässä vaiheessa kunkin potilaan ainutlaatuinen haihtuva profiili yhdistetään hänen kliiniseen diagnoosiin (parodontaalisairauden/karieksen laajuus) ja analysoidaan tilastollisen johdonmukaisuuden varmistamiseksi.
5. Vaiheissa 1-2 kerätyt tiedot analysoidaan tilastollisesti kokonaisuutena.