Diagnostic des maladies bucco-dentaires courantes par profils volatils de signature

Les médecins de la Grèce antique ont compris que sentir l'haleine de leurs patients pouvait aider au diagnostic. Cependant, alors que cette méthode de diagnostic plutôt primitive n'a pas beaucoup changé au cours des siècles, il y a eu un intérêt croissant ces dernières années pour l'amélioration des méthodes de diagnostic précoce non invasif pour de nombreuses maladies métaboliques et infectieuses.

Actuellement, de nombreuses maladies passent inaperçues et sont exacerbées en raison d'un diagnostic tardif. En médecine dentaire, les patients ont tendance à éviter de se rendre chez leur dentiste même pour des examens réguliers, et donc ils n'apparaissent à la clinique qu'à un stade avancé et avancé de la maladie, souffrant de douleurs et d'inconfort qui auraient pu facilement être évités, et présentant un stade tardif maladie, compromettant ainsi le résultat du traitement.

Pour ces raisons, il existe un besoin urgent d'une technologie peu coûteuse et peu invasive qui servirait d'aide au diagnostic, permettant 1) une détection précoce efficace et 2) la personnalisation du traitement.

Des modalités de diagnostic basées sur la détection de composés organiques volatils (ci-après COV), c'est-à-dire des composés organiques à pression de vapeur relativement élevée à température ambiante, peuvent être la réponse au besoin susmentionné.

"Nez électroniques" pour la détection des composés organiques volatils dans l'air expiré Les composés organiques volatils spécifiques à la maladie sont produits principalement par des changements dans des voies biochimiques spécifiques dans le corps. Suite à leur production par des cellules humaines ou bactériennes, les COV peuvent se retrouver dans les fluides corporels, y compris les cellules infectées et/ou leur microenvironnement, le sang, l'haleine et la salive, entre autres. Ainsi, les COV libérés depuis leur origine peuvent être directement détectés à partir du sang et de l'espace de tête des cellules.

De nombreux groupes de recherche dans le monde étudient la possibilité d'une détection non invasive des COV dans l'air expiré, permettant le diagnostic de diverses maladies systémiques6, notamment les carcinomes (poumon, sein et colorectal), la tuberculose, l'insuffisance rénale et l'asthme. Les COV en question sont les alcanes (C4-C20), les méthyl-alcènes et les dérivés du benzène, présents chez les individus sains à des concentrations de 1 à 20 ppb (partie par milliard), tandis que dans la maladie, la concentration de COV spécifiques à la maladie est augmentée. Il est suggéré que les COV soient produits par les tissus en détresse en raison du stress oxydatif, par le foie dans le cadre d'une réaction métabolique ou par le système immunitaire.

Un « nez électronique » est un appareil capable de reconnaître la composition volatile d'un échantillon d'air. Le dispositif consiste en un réseau de nanorécepteurs capables de transformer une information physique ou chimique en un signal électrique. Chaque récepteur du réseau réagit différemment aux matériaux de l'échantillon analysé, et la combinaison de ces réponses de plusieurs récepteurs produit un profil volatil unique, qui se distingue par la qualité (à savoir, quelles molécules se trouvent dans l'échantillon ?) et la quantité (à savoir, quelle est la concentration exacte de chaque molécule ?).

Un système de nez électronique pour l'analyse d'échantillons d'air doit généralement comprendre trois composants clés :

1. Dispositif de collecte d'haleine / d'espace de tête
2. Dispositif de traitement
3. Algorithme de classification. Les premiers et les plus répandus de ces appareils sont basés sur l'analyse d'échantillons d'air dans un système de chromatographie en phase gazeuse / spectrométrie de masse (GC-MS). Les systèmes avancés comprennent des capteurs d'oxyde de méthyle (MOS) ou des nanorécepteurs.

Un système de nez électronique à base de nanorécepteurs (NaNose) est en cours de développement, au Laboratoire du co-PI (Prof. Haick, Faculté de génie chimique, Technion, Haïfa, Israël), capable de détecter des traces de COV à des concentrations de parties par milliard (1µg/l). Couplé à un système informatisé capable d'analyser de grandes quantités de données provenant de centaines de molécules, détectées simultanément par un réseau de 20 récepteurs ou plus, ce système surpasse les autres dispositifs de "nez électronique" en termes de sensibilité et d'efficacité. Contrairement aux systèmes GC-MS coûteux et lents, un capteur idéal à base de nanomatériaux pour les tests respiratoires doit être sensible à de très faibles concentrations de composés organiques volatils, même en présence de facteurs de confusion environnementaux ou physiologiques. Il doit également répondre rapidement et proportionnellement à de petits changements de concentration et fournir une sortie cohérente spécifique à un composé donné. Lorsqu'il n'est pas en contact avec les composés en question, le capteur doit revenir rapidement à son état de base, ou être suffisamment simple et peu coûteux pour être jetable.

L'échantillonnage de l'air avec de tels récepteurs devrait être relativement simple et ses résultats peuvent être interprétés automatiquement, ce qui le rend approprié pour le dépistage rentable d'une grande population. Seuls les patients testés positifs auront besoin de diagnostics conventionnels et désagréables pour confirmer le diagnostic précoce, avant qu'un traitement ne soit proposé.

Néanmoins, toutes les modalités de diagnostic basées sur les COV ont tendance à oublier que l'air expiré est une combinaison de nombreuses origines - les poumons, le tractus gastro-intestinal supérieur et la cavité buccale avec une petite composante nasale. Alors que la composition et les profils volatils de l'air des poumons ont fait l'objet de recherches approfondies au cours de la dernière décennie, comme moyen de trouver une approche de diagnostic précoce du cancer10,15, la composante orale est restée largement intacte.

Les micro-niches dans la cavité buccale des individus sains abritent un biofilm pouvant contenir plus de 1000 espèces bactériennes différentes. En l'absence de nettoyage mécanique ou chimique actif, le biofilm s'accumule, se modifie et mûrit, provoquant une inflammation des tissus mous, connue sous le nom de gingivite. Chez certains individus et dans certaines conditions, l'inflammation évolue vers une maladie parodontale et la composition du biofilm se transforme en une proportion plus élevée de bactéries Gram-négatives anaérobies avec une virulence accrue et des capacités de rupture des tissus. Outre les micro-organismes du biofilm, d'autres sources de COV dans la cavité buccale peuvent inclure le sérum, l'exsudat gingival, l'inflammation des tissus gingivaux, les plaies et les lésions, les pathologies associées aux glandes salivaires, aux sinus et à la cavité nasale, le reflux gastro-intestinal, les débris alimentaires interdentaires piégés et les polluants environnementaux. . Hertel et al. a récemment signalé des profils volatils uniques dans l'espace de tête de bactéries et de champignons buccaux spécifiques.

Nous émettons l'hypothèse que la volatolomique basée sur les nanorécepteurs peut être utilisée comme modalité de diagnostic pour le diagnostic précoce non invasif des maladies bucco-dentaires, sur la base d'un échantillon d'air expiré.

La recherche proposée vise à jeter les bases d'une modalité de diagnostic rapide, conviviale et non invasive pour les maladies bucco-dentaires courantes dans les échantillons d'air expiré, basée sur le NaNose. Cela servira dans un avenir prévisible de base pour la création d'un dispositif de diagnostic clinique ou à domicile commercialisable.

Objectifs spécifiques :

1. Détection et analyse des COV liés aux maladies bucco-dentaires courantes dans les espaces de tête d'échantillons de micro-organismes provenant des cavités buccales de patients diagnostiqués avec une gingivite, des maladies parodontales ou des caries, et comparés à un groupe témoin de patients sains.
2. Caractérisation des profils volatils pour les maladies bucco-dentaires courantes et définition de nanorécepteurs diagnostiques spécifiés.

Les résultats souhaités

1. Les résultats de la recherche proposée pourraient mener à une révolution chez les professionnels dentaires, ainsi qu'aux soins à domicile. À ce jour, la seule façon pour un individu de connaître son état bucco-dentaire est de prendre rendez-vous avec un dentiste, pourtant une proportion importante de la population évite les examens et les traitements réguliers. Un outil facile permettant un prélèvement d'air simple et non invasif à domicile ou dans une pharmacie augmentera considérablement les taux d'observance et de curabilité des patients, et réduira les dépenses de santé.
2. La cartographie des COV de l'air provenant de la cavité buccale peut augmenter la valeur diagnostique des échantillons d'air provenant des poumons, améliorant ainsi la précision, la sensibilité et la spécificité du diagnostic précoce non invasif du cancer, de l'insuffisance rénale et d'autres maladies internes.

Méthodes

Étape 1 - Détection et analyse des COV liés aux maladies bucco-dentaires courantes Les souches bactériennes connues (Streptococcus mutans, Streptococcus sanguinis, Porphyromonas gingivalis, Fusobacterium nucleatum, Acinetobacter actinomycetemcomitans, Tannerella forsythia, Lactobacillus acidophilus) seront cultivées séparément dans des flacons scellés contenant des milieux appropriés, permettant collecte et analyse de l'espace de tête unique à l'intérieur des bouteilles. Après culture, l'espace de tête sera collecté dans un tube absorbant Tenax (Sigma-Aldrich, 28718-U SUPELCOTenax® TA / Carboxen® 1018) et analysé en GC-MS (Chromatographie en phase gazeuse-Spectrométrie de masse). Un profil volatil unique de chaque souche bactérienne sera déterminé via une analyse statistique. Le protocole d'essai complet est disponible dans l'addendum 1 ci-dessous.

Trois (3) répétitions seront effectuées avec chaque souche.

Étape 2 - Caractérisation des profils volatils pour les maladies bucco-dentaires courantes et définition de nanorécepteurs diagnostiques spécifiés

Les patients proviendront des cliniques des étudiants et les échantillons seront prélevés dans le cadre de leur traitement dentaire, à savoir : l'élimination des caries et de la dentine infectée pour une restauration future, et l'élimination du tartre dentaire et de la plaque dentaire pour le traitement des maladies parodontales.

1. Au début de la séance de traitement, un consentement éclairé sera obtenu du patient, acceptant l'utilisation de la plaque enlevée / de la dentine infectée dans la recherche. Aucun écart par rapport au protocole de traitement standard n'est attendu.

   1. L'échantillon de plaque des patients parodontaux sera prélevé avant le début du détartrage grossier, avec un outil manuel (curette Gracey 5-6), à partir de la zone cervicale des incisives mandibulaires.
   2. L'échantillon de dentine infectée des dents cariées sera prélevé avec un outil manuel (Spoon Excavator), après avoir tracé la forme initiale de la cavité préparée.
2. Les échantillons collectés seront ensuite cultivés dans des flacons scellés contenant du milieu Wilkins-Chalgren, à 37°C pendant 48 heures, de manière similaire à l'étape 1 ci-dessus. Un flacon de milieu stérile servira de témoin.
3. L'espace de tête sera ensuite collecté et analysé de la même manière que les points 5 à 8 de l'étape 1 ci-dessus.
4. À ce stade, le profil volatil unique de chaque patient sera lié à son diagnostic clinique (étendue de la maladie parodontale / carie) et analysé pour la cohérence statistique.
5. Les données recueillies aux étapes 1 et 2 seront analysées statistiquement dans leur ensemble.