Uusi nanosensorijärjestelmä haihtuvien biomarkkerien havaitsemiseen iholta multippeliskleroosissa (Nano-Skin-MS)

TAUSTA Multippeliskleroosi (MS) on yleisin nuorilla aikuisilla esiintyvä krooninen neurologinen sairaus, joka alkaa yleensä 20–40-vuotiaana. Taudille on ominaista kaksi pääfenotyyppiä: Relapse-Remitting MS (RR-MS) ja Primary Progressive MS (PP-MS). RR-MS on yleisin sairaustyyppi, sairauden pitkäaikaishoitoa varten potilaita hoidetaan immunomodulatorisilla lääkkeillä (IMD), jotka vähentävät taudin aktiivisuutta. Hoitovaste vaihtelee potilaiden välillä. 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 kanssa tai vasteen hoitoon ja MRI, joka mahdollistaa MS-taudin aktiivisuuden ja sen hoidon seurannan, ovat liian kalliita rutiininomaiseen käyttöön. Lisäksi RR-MS-potilaat ovat merkittävässä stressissä, koska uusiutumisjakso voi ilmaantua välittömästi ilman tunnistettua varoitusmerkkiä. Jos relapsiin liittyviä biomarkkereita voidaan tunnistaa, voidaan kehittää mahdollinen ennustetesti, joka voi lopulta mahdollistaa asianmukaisen lääketieteellisen vastatoimenpiteen ennen uusiutumisen eskaloitumista. Lisäksi MS-taudin varhainen diagnosointi ja uusiutumisen ennustaminen vähentäisivät työkyvyttömyyden kertymistä ja säästäisivät sairaalahoitopäiviä.

Tässä tutkijat ehdottavat: tutkia edelleen yksinkertaisen ja kannettavan anturitekniikan kykyä ennustaa ja seurata MS:ää haihtuvista näytteistä. Professori Hossam Haickin laboratoriossa kehitetty tekniikka on osoittautunut potentiaaliseksi diagnosoida useita sairauksia, kuten pahanlaatuisia, infektio- ja neurologisia sairauksia, mukaan lukien kaksi kliinistä MS-tutkimusta (Broza et al 2017; Broza et al. 2015; Ionescu ym. 2011; Nakhleh ym. 2017 ja Peng ym. 2009). Lähestymistapa perustuu siihen tosiasiaan, että solukalvo koostuu pääasiassa amfipaattisista fosfolipideistä, hiilihydraateista ja monista integraalisista kalvoproteiineista, jotka ovat erilaisia ​​eri solutyypeille. Sairausprosesseissa soluissa tapahtuu rakenteellisia muutoksia, jotka voivat johtaa oksidatiiviseen stressiin, eli solukalvon peroksidaatioon, joka aiheuttaa haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) vapautumista. Jotkut näistä VOC-yhdisteistä esiintyvät selvästi erilaisissa seoskoostumuksissa riippuen siitä, onko solu terve vai ei. MS-taudin oksidatiivisen stressin uskotaan myötävaikuttavan kudosvaurioihin fokaalisissa tulehdusleesioissa ja osallistuvan diffuusiin aksonien rappeutumiseen ja demyelinaatioon (Gilgun-Sherki et al 2004). Erityisen merkittävää tässä lähestymistavassa on, että jokaisella sairaustyypillä on oma ainutlaatuinen VOC-mallinsa, ja siksi yhden taudin esiintyminen ei yleensä seulo muita tautityyppejä. Nämä VOC-yhdisteet voidaan havaita suoraan eri kehon nesteistä, kuten uloshengitetystä hengityksestä tai ihosta. Tietyissä tapauksissa hengitys- ja ihoanalyysi tarjoaa useita mahdollisia etuja: (a) hengitys-/ihonäytteet ovat ei-invasiivisia ja helppoja saada; (b) hengitys/iho sisältää vähemmän monimutkaisia ​​seoksia kuin seerumi tai virtsa; ja (c) hengitys/ihotestaus mahdollistaa reaaliaikaisen seurannan. NA-NOSE suorittaa hajuntunnistuksen käyttämällä laajalti ristireaktiivisia antureita yhdessä kuviontunnistusmenetelmien kanssa (Broza ym. 2017; Peng et al 2009). Toisin kuin "lukko ja avain" -lähestymistapa, jokainen NA-NOSE:n anturi reagoi laajalti erilaisiin hajuaineisiin. Tämä lisää yhdisteiden määrää, joille monet erilaiset anturit ovat herkkiä, mikä mahdollistaa biomarkkerien analyysit monimutkaisissa monikomponenttimediassa.

TUTKIMUKSEN TAVOITTEET JA ODOTETTU MERKITYS

Varhainen kohdehoito uusiutumisjaksoissa on ratkaisevan tärkeää, mutta riittäviä työkaluja tulevan uusiutumisjakson varhaisten oireiden ennustamiseen ja tunnistamiseen ei ole saatavilla. Tutkijat ovat viimeksi osoittaneet, että hengityksen VOC-yhdisteitä voidaan käyttää MS-potilaiden ja ei-MS-potilaiden luokitteluun (Broza et al 2017). Tämän ehdotuksen päätavoitteena on seurata tätä viimeaikaista saavutusta ja testata ihopohjaisen VOC-analyysin uskottavuutta täydentävän tiedon saamiseksi mahdollisista sairaustyypin biomarkkereista (RR-MS ja PP-MS) sekä seurata taudin aktiivisuus ja erityisesti uusiutumisjakson ennustaminen MS-potilailla. Hankkeen tavoitteet saavutetaan seuraavilla erityistavoitteilla:

Tavoite 1: Tutkia ihopohjaisten VOC-yhdisteiden uskottavuutta biomarkkereina MS-diagnoosissa. Tässä osassa tutkijat 1) käyttävät aiemmin kehitettyä menetelmää VOC-ihon näytteenottoon ja mukauttavat sen MS-potilaille (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) Löydösten spesifisyyden määrittämiseksi tutkijat testaavat edelleen VOC-profiilien eroja MS-potilaiden ja ei-MS-potilaiden välillä (terveet kontrollit) käyttämällä anturiteknologiaa ja/tai kaasukromatografiamassaspektrometriaa (GC-MS) (osa joka suunnitellaan seurantatutkimukseen). Jos mahdollista, tehdään osa-analyysi ihopohjaisten VOC-erojen havaitsemiseksi RR-MS- ja SP-MS- ja PP-MS-potilaiden välillä. Ensimmäisen vaiheen tulosten perusteella, joka tunnistaa haihtuvia muutoksia MS-taudin ja terveiden kontrollien välillä ihosta. tutkijat arvioivat mahdollisuutta ottaa mukaan muita ei-MS-tautia sairastavia väestöryhmiä, kuten potilaita, joilla on muita autoimmuuni- tai muita neurologisia sairauksia. Jos kyllä, asianmukainen muutos esitetään.

Tavoite 2: Tunnistaa ja karakterisoida ihopohjaiset VOC:t kliinisen uusiutumisen ja sairauden aktiivisuuden biomarkkereina mittaamalla ja analysoimalla VOC-profiilia relapsin ja remission aikana. Ensimmäisen vaiheen tulosten perusteella tutkijat testaavat ihopohjaisen VOC-testin kykyä seurata aineenvaihduntatuotteiden hienovaraisia ​​muutoksia, jotka saattavat viitata uusiutumisjakson alkamiseen, etenemiseen ja päättymiseen. Se saavutetaan anturi- ja/tai GC-MS-analyysityöllä biomarkkerien mahdollisen muutoksen tunnistamiseksi uusiutumisen aikana. Seurantatutkimuksessa tutkijat aikovat arvioida relapsen vs. "pseudorelapsen".

Odotettu merkitys, ehdotetulla tutkimuksella voi olla suuri vaikutus MS-potilaiden sairaanhoitoon ja hyvinvointiin. Varhainen diagnoosi ja taudin aktiivisuuden ennustaminen mahdollistavat varhaisen ja räätälöidyn terapeuttisen intervention, peruuttamattomien neurologisten vaurioiden ja niihin liittyvien vamman kasaantumisen ehkäisemisen ja samalla alentaa lääketieteellisiä kustannuksia. Lisäksi projekti on tärkeä askel nanosensorien soveltamisessa biomarkkerien havaitsemiseen lääketieteellisessä tutkimuksessa ja terapeuttisessa (diagnostiikkaan perustuvassa terapiassa) käytännössä kohti Precision Medicinen käyttöönottoa.

TUTKIMUSSUUNNITELMA Näytteenotto Ihoon liittyvät VOC-yhdisteet kerättäisiin käyttämällä polydimetyylisiloksaani (PDMS) -laastareita kehon eri paikoista antureita ja/tai GC-MS-analyysiä varten. Imeytyvät materiaalit kiinnitetään iholle eri kohtiin (käsivarsi/käsi tai rintakehä tai otsa) sen jälkeen, kun iho on puhdistettu alkoholivalmisteisella tyynyllä ja puhtaalla vedellä. Laastarit peitetään alumiinifoliolla ja suljetaan lääketieteellisellä teipillä enintään tunnin ajaksi. Kullekin potilaalle kerätään kerrallaan yhteensä 2-4 silikonilaastaria. PDMS:llä kerätyt näytteet siirretään lasipulloihin ja säilytetään 4 ˚C:ssa, kunnes ne lähetetään Technioon NA-NOSE- ja GC-MS-analyysiä varten. Kaikki kerätyt näytteet koodataan. Antureiden signaalivaste arvioidaan, jotta näytteelle sopivat parhaat anturit. GC-MS antaa alustavat tiedot MS:n ja kontrollin keskimääräisestä ihoprofiilista ja arvioi pienen säätötarpeen näytteenottomenettelyssä (esim. näytteenottoaika).

Tilastot Tutkittujen MS-olosuhteiden spesifiset kuviot ja ennustavat mallit johdetaan anturiryhmän lähdöstä käyttämällä kehittyneitä kuviontunnistusmenetelmiä, kuten erottelufunktioanalyysiä (DFA), pääkomponenttianalyysiä (PCA), hermoverkkoja (NN) tai vastaavia. Tulosten tilastollinen merkitsevyys määritetään parametrisilla tai a-parametrisilla testeillä, kuten Studentin T-testillä, Man Whitneyllä tai parianalyysillä. Arvoja p<0,05 pidetään merkitsevinä.