Triage non invasivo della tubercolosi e piattaforma di mappatura dei pazienti che utilizza il respiro tramite un sensore a nanotubi di biossido di titanio a basso costo

La tubercolosi è una malattia infettiva causata da vari ceppi di micobatteri. Tipicamente infetta i polmoni e si diffonde nell'aria quando un paziente infetto starnutisce, tossisce o sputa. Quando ciò accade, i bacilli della tubercolosi vengono espulsi nell'aria in goccioline che possono rimanere sospese per lunghi periodi di tempo. Un individuo ha semplicemente bisogno di inalare una piccola quantità di bacilli per essere infettato.

I metodi convenzionali per il rilevamento e la diagnosi della tubercolosi sono tradizionalmente eseguiti in laboratori o ospedali. Ad esempio, il metodo più comune per la diagnosi della tubercolosi è la colorazione acido-rapida di un campione di espettorato, seguita da un test microscopico su striscio di espettorato. Tuttavia uno svantaggio del test dell'espettorato è la sua scarsa sensibilità, che si stima sia del 70%. Inoltre, la sensibilità della spettroscopia dello striscio di espettorato nelle impostazioni sul campo ha dimostrato di essere molto inferiore (35%), specialmente nelle popolazioni che hanno alti tassi di coinfezione da TB e HIV. La coltura del micobatterio da campioni di espettorato è una tecnica più sensibile. I campioni di espettorato vengono raccolti e coltivati ​​in terreni solidi o liquidi alla ricerca della presenza del micobatterio. Tuttavia, questa metodologia richiede tempo per essere condotta (3-4 settimane per colture solide e 10-14 giorni per colture liquide), il che rende difficile l'impiego in contesti con poche risorse che sono tipicamente lontani dalle strutture di test.

Recentemente sono state sviluppate altre tecnologie, tra cui la microscopia a fluorescenza per test di striscio (10% più sensibile della microscopia ottica), la microscopia fluorescente a LED per apparecchiature di imaging poco costose che possono essere utilizzate sul campo senza la necessità di una camera oscura e tecniche di coltura rapida per ridurre tempo di incubazione. Nonostante tutti i miglioramenti apportati alla diagnosi della tubercolosi, attualmente non è disponibile alcun test POC semplice ed economico. Le tecniche sopra menzionate si concentrano su variazioni di microscopia o tecnica di coltura. In entrambi i casi, questi metodi richiedono strutture di laboratorio e personale altamente qualificato che in genere non sono disponibili in molte zone rurali o con poche risorse.

Ricerche recenti hanno dimostrato che vari ceppi di micobatteri producono biomarcatori volatili gassosi distinti che possono essere utilizzati come metodologia per rilevare e identificare il micobatterio. Nello specifico, Syhre e Chambers hanno scoperto che le colture di Mycobacterium tuberculosis e Mycobacterium bovis emettono quattro specifici biomarcatori organici volatili (VOB): metil fenilacetato, metil p-anisato, metil nicotinato e o-fenilanisolo. Questi composti erano rilevabili prima della comparsa visiva delle colonie, il che potrebbe avere implicazioni nel rilevamento dell'infezione latente da tubercolosi. Syhr et al. sono stati in grado di rilevare differenze statisticamente significative di metil nicotinato nell'alito di pazienti con tubercolosi positivi allo striscio rispetto ai soggetti sani (negativi allo striscio). Le analisi in questi studi sono state effettuate utilizzando strumenti di analisi della gascromatografia/spettroscopia di massa. Sebbene siano efficaci nell'identificare e quantificare campioni di gas complessi, sono costosi, ingombranti e non appropriati per la diagnostica POC (Point of Care).

Queste sfide associate alla diagnosi di tubercolosi sono significative in quanto la tubercolosi è la seconda causa di morte dovuta a un singolo organismo infettivo ed è responsabile di 1,3 milioni di decessi all'anno (oltre 3.500 ogni giorno), secondo l'OMS. Complessivamente, circa 2 miliardi di persone sono attualmente infette in tutto il mondo con 8,6 milioni di nuove infezioni attive che si verificano ogni anno.[8] Ciascuno di questi individui può trasmettere la malattia a 10-15 persone all'anno e affrontare un tasso di mortalità del 50% se non trattato. L'onere economico della tubercolosi è sbalorditivo poiché la Banca mondiale stima che i paesi ad alto onere possono perdere fino al 7% del PIL a causa delle perdite di produttività dei pazienti affetti da tubercolosi e dei loro assistenti. È così importante che la Banca mondiale ha impegnato 100 milioni di dollari per testare e curare la tubercolosi in India solo nel 2014.

Degli 8,6 milioni di nuovi casi di tubercolosi attiva che si verificano ogni anno, l'OMS stima che circa 3 milioni di questi pazienti siano "persi" e non ricevano la diagnosi o le cure di cui hanno bisogno. Uno dei motivi principali di questo divario sono i ritardi nell'accesso alle cure correlate alla tubercolosi oi lunghi tempi di consegna per i test diagnostici. Di conseguenza, lo sviluppo di nuovi test di screening su larga scala (noti anche come test di triage o test di "esclusione") è particolarmente necessario in quanto fino all'80% delle persone sottoposte a test per la tubercolosi non ha una malattia attiva, estendendo il limitato e prezioso risorse dedicate ai test diagnostici. Di conseguenza, FIND, leader mondiale nella guida e nel coordinamento della ricerca e dello sviluppo per malattie come la tubercolosi, ha classificato lo sviluppo di nuovi test di screening come una delle 3 principali priorità nella lotta contro la tubercolosi.

Questo studio pilota sarà condotto per determinare se una metodologia di rilevamento di nuova concezione per lo screening della tubercolosi al POC basata su biomarcatori volatili sia fattibile attraverso l'uso di un sensore a stato solido a basso costo che utilizza array di nanotubi 3D TiO2 funzionalizzati che legano i biomarcatori volatili. Se la sensibilità clinica è sufficiente, questa tecnologia potrebbe fornire un mezzo per identificare molti dei pazienti con tubercolosi "mancati" e consentire di concentrare le risorse e gli sforzi per i test su quelli a più alto rischio di contrarre la malattia.

In precedenza, abbiamo testato il profilo del respiro di un piccolo numero di pazienti delle cliniche locali per la tubercolosi e abbiamo confermato la presenza di questi biomarcatori nel loro respiro (IRB_0065207). Sono ora necessari studi su pazienti più grandi per ottenere una stima della sensibilità e della specificità per determinare il potenziale dell'utilizzo del sensore come test di screening. Questo studio sarà condotto a Mumbai, in India, con il sistema REDCap (Research Electronic Data Capture) dell'Università utilizzato per raccogliere e archiviare in modo sicuro i dati di questo studio.

Questo studio è stato esaminato e approvato dal Comitato etico per la ricerca sui soggetti umani e dal Comitato consultivo scientifico del Mahatma Gandhi Mission Institute of Health Sciences.