Nuovo array di nanosensori per il rilevamento di biomarcatori volatili dalla pelle nella sclerosi multipla (Nano-Skin-MS)

BACKGROUND La sclerosi multipla (SM) è la più comune malattia neurologica cronica che colpisce i giovani adulti, con insorgenza solitamente all'età di 20-40 anni. La malattia è caratterizzata da due fenotipi principali: SM recidivante-remittente (RR-MS) e SM primariamente progressiva (PP-MS). RR-MS è il tipo più comune di malattia, per la gestione a lungo termine della malattia i pazienti sono trattati con farmaci immunomodulatori (IMD) che riducono l'attività della malattia. La risposta alla terapia varia tra i pazienti. Attualmente non sono disponibili biomarcatori per la diagnosi e il follow-up di routine della SM. Le IgG oligoclonali nel liquido cerebrospinale - che aiutano a confermare la diagnosi, richiedono una procedura invasiva e non sono correlate con l'attività della malattia né la risposta alla terapia e la risonanza magnetica, che consente il monitoraggio dell'attività della SM e il suo trattamento, è troppo costosa per essere utilizzata di routine. Inoltre, i pazienti con SM-RR sono sottoposti a uno stress significativo poiché l'episodio di ricaduta può comparire istantaneamente senza alcun segnale di avvertimento riconosciuto. Se è possibile identificare i biomarcatori correlati alla ricaduta, potrebbe essere sviluppato un potenziale test di previsione, che alla fine può consentire un'adeguata controazione medica fornita prima che la ricaduta si aggravi. Inoltre, la diagnosi precoce della SM e la previsione della ricaduta ridurrebbero il tasso di accumulo di disabilità e risparmierebbero giorni di ricovero.

Qui, i ricercatori propongono: esplorare ulteriormente la capacità di una tecnologia di rilevamento semplice e portatile di prevedere e monitorare la SM da campioni volatili. La tecnologia che è stata sviluppata nel laboratorio del Prof. Hossam Haick ha dimostrato il potenziale per la diagnostica di una serie di condizioni mediche come malignità, malattie infettive e neurologiche, inclusi due studi clinici sulla SM (Broza et al 2017; Broza et al 2015; Ionescu et al 2011; Nakhleh et al 2017 e Peng et al 2009). L'approccio si basa sul fatto che la membrana cellulare consiste principalmente di fosfolipidi anfipatici, carboidrati e molte proteine ​​integrali di membrana che sono distinte per diversi tipi di cellule. Nei processi patologici, le cellule subiscono cambiamenti strutturali che possono portare a stress ossidativo, ovvero una perossidazione della membrana cellulare che causa l'emissione di composti organici volatili (COV). Alcuni di questi COV appaiono in composizioni di miscele nettamente diverse, a seconda che una cellula sia sana o meno. Si ritiene che lo stress ossidativo nella SM contribuisca al danno tissutale nelle lesioni infiammatorie focali e sia coinvolto nella degenerazione assonale diffusa e nella demielinizzazione (Gilgun-Sherki et al 2004). Ciò che è particolarmente significativo di questo approccio è che ogni tipo di malattia ha il proprio modello unico di VOC e, pertanto, la presenza di una malattia generalmente non vaglierebbe altri tipi di malattia. Questi COV possono essere rilevati direttamente da diversi fluidi corporei come respiro espirato o pelle. In alcuni casi, l'analisi del respiro e della pelle offre diversi potenziali vantaggi: (a) i campioni di respiro\pelle non sono invasivi e sono facili da ottenere; (b) respiro\pelle contiene miscele meno complicate del siero o dell'urina; e (c) il test respiratorio/cutaneo ha il potenziale per il monitoraggio in tempo reale. NA-NOSE esegue il rilevamento degli odori utilizzando sensori ampiamente cross-reattivi in ​​combinazione con metodi di riconoscimento dei modelli (Broza et al 2017; Peng et al 2009). In contrasto con l'approccio "lock-and-key", ogni sensore nel NA-NOSE è ampiamente reattivo a una varietà di odori. Ciò aumenta la varietà di composti a cui sono sensibili i numerosi sensori diversi, consentendo così l'analisi di biomarcatori in mezzi complessi multicomponente.

OBIETTIVI DELLA RICERCA E SIGNIFICATO ATTESO

Il trattamento mirato precoce negli episodi di ricaduta è fondamentale, ma non sono disponibili strumenti sufficienti per prevedere e identificare i primi sintomi di un imminente episodio di ricaduta. I ricercatori hanno recentemente dimostrato che i COV respiratori possono essere utilizzati per classificare tra pazienti affetti da SM e non affetti da SM (Broza et al 2017). L'obiettivo principale dell'attuale proposta è dare seguito a questo recente risultato e testare la plausibilità dell'analisi dei COV a base cutanea per fornire informazioni complementari sui potenziali biomarcatori del tipo di malattia (RR-MS e PP-MS) nonché il monitoraggio di attività della malattia e in particolare la previsione dell'episodio di recidiva nei pazienti con SM. Gli obiettivi del progetto saranno raggiunti dai seguenti obiettivi specifici:

Obiettivo 1: studiare la plausibilità dei COV a base cutanea come biomarcatori per la diagnosi di SM. In questa parte, gli investigatori 1) impiegheranno una metodologia precedentemente sviluppata per il campionamento della pelle VOC e la adatteranno per i pazienti con SM (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) Per determinare la specificità dei risultati, i ricercatori testeranno ulteriormente la differenza nei profili VOC tra pazienti affetti da SM e non-SM (controlli sani) utilizzando la tecnologia dei sensori e\o la spettrometria di massa gas-cromatografica (GC-MS) (parte di che sarà pianificato per lo studio di follow-up). Laddove plausibile, verrà eseguita una sottoanalisi per rilevare le differenze di VOC a base cutanea tra i pazienti RR-MS e SP-MS e PP-MS Sulla base dell'esito della prima fase che identificherà i cambiamenti volatili tra SM e controlli sani dalla pelle gli investigatori valuteranno la plausibilità di includere ulteriori gruppi di popolazione malata non SM, come pazienti con altre malattie autoimmuni o altre malattie neurologiche. In caso affermativo, verrà presentato un emendamento appropriato.

Obiettivo 2: Identificare e caratterizzare i COV a base cutanea come biomarcatori della recidiva clinica e dell'attività della malattia misurando e analizzando il profilo dei COV durante la recidiva e la remissione. Sulla base dell'esito del primo passaggio, gli investigatori testeranno la capacità del test VOC cutaneo di monitorare sottili cambiamenti nei metaboliti che potrebbero indicare l'inizio, la progressione e la fine dell'episodio di ricaduta. Sarà raggiunto mediante sensori e\o lavori di analisi GC-MS per identificare potenziali cambiamenti nei biomarcatori durante la ricaduta. In uno studio di follow-up, i ricercatori intendono valutare Relapse vs "Pseudo-Relapse".

Significato previsto, lo studio proposto potrebbe avere un impatto importante sull'assistenza medica e sul benessere dei pazienti affetti da SM. La diagnosi precoce e la previsione dell'attività della malattia consentiranno un intervento terapeutico precoce e su misura, la prevenzione del danno neurologico irreversibile e il relativo accumulo di disabilità, riducendo al contempo i costi medici. Inoltre, il progetto rappresenterà un passo importante nell'applicazione dei nanosensori per il rilevamento di biomarcatori nella ricerca medica e nella pratica della teranostica (terapia basata sulla diagnosi) verso l'implementazione della medicina di precisione.

PIANO DI STUDIO Raccolta dei campioni I COV correlati alla pelle verrebbero raccolti utilizzando cerotti di polidimetilsilossano (PDMS) da diverse posizioni del corpo per i sensori e/o l'analisi GC-MS. I materiali assorbenti verranno attaccati alla pelle in punti diversi (braccio/mano o petto o fronte), dopo aver pulito la pelle con un tampone imbevuto di alcol e acqua pulita. I cerotti saranno coperti con un foglio di alluminio e sigillati con nastro adesivo medico per un massimo di un'ora. Verranno raccolti un totale di 2-4 cerotti di silicone per ogni paziente alla volta. I campioni raccolti su PDMS verranno trasferiti in fiale di vetro e conservati fino a 4 ˚C fino all'invio al Technion per l'analisi NA-NOSE e GC-MS. Tutti i campioni raccolti saranno codificati. La risposta del segnale dei sensori sarà valutata al fine di abbinare i migliori sensori per il campione. GC-MS fornirà informazioni iniziali sul profilo cutaneo medio della SM e del controllo e valuterà la necessità di un leggero aggiustamento nella procedura di campionamento (ad esempio, tempo di campionamento).

Statistiche Pattern specifici e modelli predittivi per le condizioni MS studiate saranno derivati ​​dall'output dell'array di sensori, utilizzando metodi avanzati di riconoscimento di pattern come analisi della funzione discriminante (DFA), analisi delle componenti principali (PCA), reti neurali (NN) o simili. La significatività statistica dei risultati sarà determinata utilizzando test parametrici o a-parametrici come il test T di Student, Man Whitney o l'analisi appaiata. I valori p<0.05 saranno considerati significativi.