Non-invazív TB osztályozás és betegtérképezési platform lélegzetvétellel alacsony költségű titán-dioxid nanocső érzékelőn keresztül

A tbc egy fertőző betegség, amelyet a mikobaktériumok különféle törzsei okoznak. Általában a tüdőt fertőzi meg, és a levegőn keresztül terjed, amikor a fertőzött beteg tüsszent, köhög vagy köp. Amikor ez megtörténik, a tbc-bacilusok cseppekben a levegőbe lövik, amelyek hosszú ideig felfüggesztve maradhatnak. Az egyénnek egyszerűen be kell lélegeznie egy kis mennyiségű bacilust, hogy megfertőződjön.

A tbc kimutatásának és diagnosztizálásának hagyományos módszereit hagyományosan laboratóriumokban vagy kórházakban végzik. Például a tuberkulózis diagnosztizálásának legáltalánosabb módszere a köpetminta saválló festése, amelyet köpetkenet-mikroszkópos vizsgálat követ. A köpetkenet-teszt hátránya azonban a rossz érzékenysége, amely a becslések szerint 70%. Ezenkívül a köpetkenet-spektroszkópia érzékenysége helyszíni körülmények között sokkal alacsonyabb (35%), különösen azokban a populációkban, ahol magas a TB és HIV-fertőzés aránya. A mikobaktériumok köpetmintákból történő tenyésztése érzékenyebb technika. A köpetmintákat gyűjtik, és szilárd vagy folyékony tápközegben tenyésztik a mikobaktérium jelenlétét keresve. Ennek a módszernek a végrehajtása azonban időt vesz igénybe (szilárd tenyészetek esetében 3-4 hét, folyékony tenyészeteknél 10-14 nap), ami megnehezíti az alkalmazását alacsony erőforrásokkal rendelkező körülmények között, amelyek általában távol vannak a tesztelő létesítményektől.

A közelmúltban más technológiákat is kifejlesztettek, beleértve a fluoreszcens mikroszkópiát a kenetvizsgálatokhoz (10%-kal érzékenyebb, mint a fénymikroszkópiánál), a LED-es fluoreszcens mikroszkópiát olcsó képalkotó berendezésekhez, amelyek sötétkamra nélkül is használhatók a terepen, valamint a gyors tenyésztési technikák csökkentése érdekében. inkubációs idő. A tbc diagnosztizálásában elért összes fejlesztés ellenére jelenleg nem áll rendelkezésre egyszerű, olcsó POC-teszt. A fent említett technikák vagy a mikroszkópos vagy a tenyésztési technika változataira összpontosítanak. Mindkét esetben ezek a módszerek laboratóriumi létesítményeket és magasan képzett személyzetet igényelnek, amelyek általában nem állnak rendelkezésre sok vidéki vagy alacsony erőforrásokkal rendelkező területen.

A legújabb kutatások kimutatták, hogy a mikobaktériumok különböző törzsei különálló gáznemű illékony biomarkereket termelnek, amelyek módszertanként használhatók a mikobaktérium kimutatására és azonosítására. Syhre és Chambers konkrétan azt találta, hogy a Mycobacterium tuberculosis és Mycobacterium bovis tenyészetek négy specifikus illékony szerves biomarkert (VOB) adnak ki: metil-fenil-acetátot, metil-p-anizátot, metil-nikotinátot és o-fenilanizolt. Ezek a vegyületek még a telepek vizuális megjelenése előtt kimutathatók voltak, ami hatással lehet a látens TB fertőzés kimutatására. Syhre et al. statisztikailag szignifikáns különbségeket tudtunk kimutatni a metil-nikotinát koncentrációban a kenet pozitív tbc-s betegek leheletében az egészséges (kenetnegatív) alanyokhoz képest. Ezekben a vizsgálatokban az elemzéseket gázkromatográfiás/tömegspektroszkópiai elemző eszközökkel végeztük. Bár hatékonyak az összetett gázminták azonosításában és mennyiségi meghatározásában, drágák, terjedelmesek, és nem alkalmasak az ellátási pontok (POC) diagnosztikájára.

A tbc diagnosztizálásával kapcsolatos kihívások jelentősek, mivel a WHO szerint a tbc a második vezető halálok egyetlen fertőző szervezet miatt, és évente 1,3 millió halálesetért felelős (több mint 3500 naponta). Összességében becslések szerint jelenleg 2 milliárd ember fertőzött világszerte, és évente 8,6 millió új aktív fertőzés fordul elő.[8] Ezen egyének mindegyike évente 10-15 embernek terjesztheti a betegséget, és kezelés nélkül 50%-os halálozási arányt jelent. A tbc gazdasági terhei megdöbbentőek, mivel a Világbank becslése szerint a magas teherrel terhelt országok a GDP akár 7%-át is elveszíthetik a tbc-s betegek és gondozóik termelékenységének csökkenése miatt. Ez annyira kritikus, hogy a Világbank 100 millió dollárt különített el a tuberkulózis tesztelésére és kezelésére Indiában csak 2014-ben.

Az évente előforduló 8,6 millió új aktív tbc-s esetből a WHO becslése szerint nagyjából 3 millió ilyen beteg „kimaradt”, és nem kapja meg a szükséges diagnózist vagy ellátást. Ennek a hiányosságnak az egyik elsődleges oka a TB-vel kapcsolatos ellátáshoz való hozzáférés késése vagy a diagnosztikai tesztek hosszú átfutási ideje. Ennek eredményeként új, nagy léptékű szűrővizsgálatok (más néven triage vagy „kizárási” tesztek) kidolgozására különösen szükség van, mivel a tbc-re tesztelt emberek 80%-a nem szenved aktív betegségben, ami meghosszabbítja a korlátozott és értékes szűrővizsgálatokat. a diagnosztikai tesztelésre szánt erőforrásokat. Ennek eredményeként a FIND, a világ vezető vállalata az olyan betegségek kutatásának és fejlesztésének irányításában és koordinálásában, mint a tbc, az új szűrővizsgálatok kidolgozását a tbc elleni küzdelem 3 legfontosabb prioritása közé sorolta.

Ezt a kísérleti tanulmányt annak megállapítására végzik, hogy megvalósítható-e az illékony biomarkereken alapuló, újonnan kifejlesztett szűrési módszer a tuberkulózis szűrésére a POC-ban egy alacsony költségű szilárdtest-érzékelő használatával, amely funkcionalizált 3D TiO2 nanocső tömbökkel köti meg az illékony biomarkereket. Ha a klinikai érzékenység megfelelő, akkor ez a technológia eszközt jelenthet sok „kimaradt” tbc-s beteg azonosítására, és lehetővé teszi, hogy a vizsgálati erőforrásokat és erőfeszítéseket azokra összpontosítsák, akiknél a legmagasabb a betegség kockázata.

Korábban teszteltük a helyi tbc-klinikák kisszámú betegének légzésprofilját, és megerősítettük ezen biomarkerek jelenlétét a leheletükben (IRB_0065207). Nagyobb betegeknél végzett vizsgálatokra van szükség az érzékenység és a specificitás becsléséhez, hogy meghatározzák az érzékelő szűrővizsgálatként való alkalmazásának lehetőségét. Ezt a vizsgálatot Mumbaiban, Indiában fogják végezni az Egyetem Research Electronic Data Capture (REDCap) rendszerével, amelyet a tanulmányból származó adatok biztonságos gyűjtésére és tárolására használnak.

Ezt a tanulmányt a Mahatma Gandhi Mission Institute of Health Sciences Etikai Kutatási Etikai Bizottsága és a Tudományos Tanácsadó Bizottság felülvizsgálta és jóváhagyta.