Veren biomarkkerien nopea, tarkka ja kustannustehokas arviointi aivotärähdyksen diagnosoimiseksi (RACE)

TAUSTA

Arviolta 100-300/100 000 ihmistä maailmanlaajuisesti hakeutuu sairaalaan vuosittain traumaattisen aivovamman (TBI) vuoksi, joista suurin osa luokitellaan lieviksi. TBI on normaalin aivojen toiminnan häiriö, joka johtuu suoraan tai epäsuorasti päähän siirtyvistä ulkoisista biomekaanisista voimista, ja se on johtava kuolinsyy ja vammaisuus Kanadassa. Noin yksi 450 kanadalaisesta ilmoitti aivovammansa merkittävimmäksi vammaan liittyväksi vammansa edellisenä vuonna. Lievä traumaattinen aivovamma (mTBI) on kliininen vakavuusasteella Glasgow Coma Scale (GCS) -pistemäärällä 13-15, ja sitä käytetään usein vaihtokelpoisena aivotärähdyksen kanssa, vaikkakin tavanomaisten hermokuvaustekniikoiden positiiviset löydökset estävät uusimman aivotärähdyksen määritelmän. . Vaikka aivotärähdyksen saaneista potilaista jopa 30 %:lla on pitkittyneet oireet (päänsärky, väsymys, huimaus, unettomuus, masennus, ahdistuneisuus, huono tasapaino ja kognitiiviset kyvyt) se on leimattu lieväksi, ja tyypilliset toipumisajat ovat aikuisilla kaksi viikkoa ja nuorilla neljä viikkoa. puutteita jne.), mikä lisää merkittävää toimintahäiriötä ja sairaustaakkaa. Lisäksi vuonna 2016 noin 10 % Ontariossa diagnosoiduista aivotärähdyksistä palasi ensiapuun 14 päivän sisällä loukkaantumisesta, mikä lisäsi terveydenhuoltojärjestelmän vaatimuksia.

Aivotärähdyksen identiteetti on yksi monimutkaisimmista diagnosoitavista ja hoidettavista vammoista, ja se perustuu tällä hetkellä subjektiivisiin mittauksiin ja oireraportteihin vamman kliinisinä indikaattoreina. Kiinnostus tämän rajoituksen korjaamiseen on lisääntynyt tutkimusten avulla, jotka pyrkivät määrittämään objektiivisia vauriomittauksia, mukaan lukien kehittyneet neuroimaging-kuvaustekniikat, fysiologisten perustoimintojen (aivoaaltojen, sykkeen, verenpaineen jne.) koneoppiminen ja veren biomarkkerit. Veren biomarkkerit ovat osoittaneet lupaavia tuloksia koskien niiden kykyä havaita tai ennustaa vaikeaa ja kohtalaista TBI:tä, mutta mTBI:n tulokset vaihtelevat ja vaativat lisätutkimuksia. Kaksi aivovaurion biomarkkeria - gliafibrillaarinen hapan proteiini (GFAP) ja ubikvitiini c-terminaalinen hydrolaasi L1 (UCH-L1) - sai äskettäin FDA:n hyväksynnän auttamaan tunnistamaan CT-skannauksen tarpeellisuuden aikuisille mTBI-potilaille, joilla saattaa olla kallonsisäisiä vaurioita. Sen lisäksi, että veren biomarkkerisovelluksia aivotärähdyksen diagnosoinnissa tai ennusteessa ei ole tällä hetkellä riittävästi, lisäesteenä kliinisessä ympäristössä tulevalle käyttöönotolle ovat edelleen korkeat kustannukset ja aikaa vievät määritysmenetelmät markkerien havaitsemiseen. Single Molecule Ary Technology (SIMOA) on täysin automatisoitu immunomääritys, joka pystyy havaitsemaan biomarkkerin femtogrammitasolla, noin 900 kertaa herkemmin kuin perinteiset entsyymi-immunosorbenttimääritykset. Koska nykyinen kultastandardi alhaisen pitoisuuden biomarkkerien havaitsemisessa, merkittävät rahalliset ja menettelylliset kustannukset voivat rajoittaa SIMOA:n tulevia sovelluksia aivotärähdyksen biomarkkerien havaitsemiseen kliinisissä olosuhteissa. Onneksi teknologian edistysaskeleet siirtävät tavanomaisten määritysmenetelmien rajoja kustannusten minimoimiseksi ja tehokkuuden maksimoimiseksi ja edistyvät kohti hoitopisteen määrityslaitteita.

Tutkijat ovat kehittäneet GFAP-nano-biosensorin, joka pystyy mittaamaan GFAP-pitoisuuksia samanlaisissa suuruusluokissa kuin SIMOA. Lyhyesti sanottuna GFAP-sähkökemiallinen biosensori kehitettiin käyttämällä nanohuokoista hiiltä silkkipainetuilla elektrodeilla hydroksyyliamiinilla (NH2OH). Nanopinnoitetut ja funktionalisoidut elektrodit immobilisoitiin monoklonaalisella anti-ihmisen GFAP-sieppausvasta-aineella, minkä jälkeen ne salpattiin naudan seerumialbumiinilla. GFAP:n sitoutumistaajuus muutettiin seerumin konsentraatiotasoiksi käyttämällä sähkökemiallista impedanssispektroskopiaa (EIS). Nanohuokoinen biosensori tarjosi ultraherkän GFAP-detektion laajalla toiminta-alueella 100 fg/ml - 10 ng/ml pitoisuudet ihmisen seerumissa. Se havaitsi selektiivisesti GFAP:n, kun sitä testattiin muita aivovaurion jälkeen vapautuneita biomarkkereita vastaan, ja paljasti kliinisen herkkyyden potilaiden havaitsemiseksi eri TBI-vakavuusasteilla (yhteensä n = 70; TBI n = 26, terve kontrolli n = 44) 84,62 %:lla (95 % CI) 65,1 % - 95,6 %) ja spesifisyys 61,36 % (CI, 45,5 % - 75,6 %). GFAP-biosensorin havaitsemisrajaksi mitattiin 86,6 fg/ml seerumissa. Lisäksi nano-biosensorimme osoitti

TAVOITTEET

Ensisijainen tavoite: Varmistaa GFAP-nano-biosensorin kliininen tarkkuus potilailla, joilla on aivotärähdys ja jotka saapuvat ensiapuosastolle diagnoosista toipumiseen. Toissijainen tavoite: Arvioi GFAP-nano-biosensorin herkkyyttä ja spesifisyyttä aivotärähdyksen tunnistamiseksi vertaamalla aivotärähdyspotilaita tuki- ja liikuntaelimistön (MSK) vammakontrolleihin. Kolmannen asteen tavoite: Arvioi GFAP-nano-biosensorin pitoisuuksien ja psyykkisten (masennus, ahdistuneisuus), fyysisten (päänsärky, unihäiriöt jne.) aivotärähdyksen oireiden välistä yhteyttä diagnoosista toipumiseen. Kvaternäärinen tavoite: Arvioi naisten kuukautiskierron hormonipitoisuuksien (progesteroni, estrogeeni) ja GFAP-nano-biosensorin pitoisuuksien välistä korrelaatiota.

MENETELMÄT

Tässä tutkimuksessa on rekrytointitavoite 150 akuutista aivotärähdyksestä (edustus tasapuolisesti) 18–65-vuotiaista päivystysosastolla (ED). Lisäksi 75 (tasavertaista sukupuolta edustavaa) tuki- ja liikuntaelimistön (MSK) vammakontrollihenkilön ryhmä rekrytoidaan samasta ED:stä samassa ikäryhmässä. Toistuvan mittauksen mahdollisessa kohorttisuunnittelussa aivotärähdyksen saaneet potilaat suorittavat ensimmäisen käynnin viikon sisällä vammasta, sitten seurantakäynnit 2, 6 ja 12 viikon kuluttua vamman jälkeen tai kunnes ovat toipuneet. Kontrollipotilaat (MSK) suorittavat kaikki toimenpiteet yhdellä käynnillä. Aivotärähdyspotilaita, jotka eivät ole toipuneet 12 viikkoon vamman jälkeen, pyydetään täyttämään kyselylomakkeet 6 kuukauden kuluttua vauriosta. Tutkimustoimenpiteitä ovat elämänlaadun, maailmanlaajuisen terveyden, masennuksen, ahdistuneisuuden, unen ja aivotärähdyksen oireiden kliinisen tulosarvioinnit sekä verenotto. Aivotärähdyspotilaita pyydetään täyttämään aivotärähdyksen jälkeinen oireyhtymäasteikko (PCSS) päivittäin heille joka aamu lähetettävän online-linkin kautta toipumisen seuraamiseksi. Tässä tutkimuksessa potilaan katsotaan parantuneen, jos kaikki oireet ovat hävinneet, ja se osoittaa 100 % liukuvalla asteikolla, joka kysyy, kuinka toipunut potilas tuntee olonsa aivotärähdyksestä. Kaikki muut kyselylomakkeet täytetään ennen ensi- ja seurantaverenottoa. Tutkijat tarjoavat myös aivotärähdyksen saaneille potilaille QR-koodin, joka on linkitetty tutkijoiden verkkosivustolle, jossa potilailla on pääsy aivotärähdyksen koulutusresursseihin ymmärtääkseen vamman. Näitä kahta määritystekniikkaa verrataan käyttämällä keskimääräisiä havaitsemis- ja jakautumiskäyriä ja Bland-Altman-analyysiä. GFAP-biosensointisarjan suorituskykyä komplisoitumattomien aivotärähdyspotilaiden havaitsemisessa ja toipumisen seurannassa arvioidaan plasmassa ja seerumissa. Plasman ja seerumin GFAP-biosensorin kliininen herkkyys ja spesifisyys arvioidaan käyttämällä vastaanottimen toimintaominaisuuksien (ROC) käyrää verrattuna SIMOA:han.