低コストの二酸化チタンナノチューブセンサーを介した呼吸を使用した非侵襲的な結核トリアージおよび患者マッピングプラットフォーム

結核は、さまざまなマイコバクテリア菌株によって引き起こされる感染症です。 通常、肺に感染し、感染した患者がくしゃみ、咳、またはつばを吐くと空気中に広がります。 これが起こると、結核菌は飛沫となって空気中に飛散し、長期間浮遊したままになる可能性があります。 感染するには、少量の桿菌を吸い込むだけで感染します。

結核の検出および診断のための従来の方法は、伝統的に研究室または病院で行われてきました。 例えば、結核の診断のための最も一般的な方法は、喀痰サンプルの抗酸染色であり、その後、喀痰塗抹標本顕微鏡検査が行われる。 しかし、喀痰塗抹検査の欠点は感度が低く、その感度は 70% と推定されています。 さらに、野外環境における喀痰塗抹標本分光法の感度は、特に結核と HIV の同時感染率が高い集団でははるかに低い (35%) ことが示されています。 喀痰サンプルからのマイコバクテリアの培養は、より感度の高い技術です。 喀痰サンプルが収集され、固体培地または液体培地のいずれかで培養され、マイコバクテリアの存在が確認されます。 ただし、この方法は実施に時間がかかるため (固体培養の場合は 3 ～ 4 週間、液体培養の場合は 10 ～ 14 日)、通常は試験施設から遠く離れたリソースの少ない環境では採用が困難です。

最近では、スメア検査用の蛍光顕微鏡（光学顕微鏡よりも感度が 10% 高い）、暗室を必要とせずに現場で使用できる安価なイメージング機器用の LED 蛍光顕微鏡、および細胞の濃度を下げるための急速培養技術など、他の技術も開発されています。潜伏時間。 結核の診断においてはさまざまな改善がなされてきましたが、現在、簡単で安価な POC 検査は利用できません。 上記の技術は、顕微鏡法または培養技術のバリエーションに焦点を当てています。 いずれの場合も、これらの方法には実験施設と高度な訓練を受けた人材が必要ですが、多くの田舎や資源の少ない地域では通常これらの人材を利用できません。

最近の研究では、マイコバクテリアのさまざまな株が、マイコバクテリアを検出および識別するための方法論として使用できる、明確なガス状揮発性バイオマーカーを生成することが示されています。 具体的には、Syhre と Chambers は、結核菌とウシ型結核菌の培養物が、フェニル酢酸メチル、p-アニス酸メチル、ニコチン酸メチル、o-フェニルアニソールという 4 つの特定の揮発性有機バイオマーカー (VOB) を放出することを発見しました。 これらの化合物はコロニーが視覚的に出現する前に検出可能であり、潜在的な結核感染の検出に影響を与える可能性があります。 Syhre et al.彼らは、健康な（塗抹陰性）被験者と比較した場合、塗抹陽性結核患者の呼気中のニコチン酸メチルの統計的に有意な差を検出することができました。 これらの研究における分析は、ガスクロマトグラフィー/質量分析ツールを使用して行われました。 これらは複雑なガスサンプルの識別と定量化には効果的ですが、高価でかさばるため、ポイントオブケア (POC) 診断には適していません。

WHOによると、結核は単一の感染性微生物による死亡原因の第2位であり、年間130万人（毎日3,500人以上）が死亡しているため、結核の診断に伴うこれらの課題は重大である。 全体として、現在世界中で推定 20 億人が感染しており、毎年 860 万人が新たに活動性感染を起こしています。[8] これらの人々はそれぞれ、年間 10 ～ 15 人にこの病気を伝染させる可能性があり、治療しなかった場合の死亡率は 50% に達します。 結核の経済的負担は驚異的であり、世界銀行は、結核患者とその介護者の生産性低下により、高負担国はGDPの最大7%を失う可能性があると推定している。 これは非常に重要であるため、世界銀行は 2014 年だけでインドにおける結核の検査と治療に 1 億ドルを投入しました。

毎年新たに発生する活動性結核患者860万人のうち、およそ300万人が「見逃され」、必要な診断やケアを受けられないとWHOは推計している。 このギャップの主な理由の 1 つは、結核関連の治療へのアクセスの遅れや、診断検査のリードタイムが長いことです。 その結果、結核検査を受けた人の最大 80% には活動性の疾患がなく、限られた貴重な検査の範囲が広がっているため、新しい大規模なスクリーニング検査 (トリアージまたは「除外」検査とも呼ばれる) の開発が特に必要とされています。診断テストに特化したリソース。 その結果、結核などの病気の研究開発を指導し、調整する世界的リーダーであるFINDは、新しいスクリーニング検査の開発を結核との闘いにおける優先順位のトップ3の1つとしてランク付けしました。

このパイロット研究は、揮発性バイオマーカーに基づいてPOCで結核をスクリーニングするための新しく開発されたセンシング方法論が、揮発性バイオマーカーを結合する機能化された3D TiO2ナノチューブアレイを使用した低コスト固体センサーの使用によって実現可能かどうかを判断するために実施される。 臨床感度が十分であれば、この技術は「見逃された」結核患者の多くを特定する手段を提供し、結核に罹患するリスクが最も高い患者に検査リソースと取り組みを集中させることができる可能性がある。

以前、当社は地元の結核クリニックの少数の患者の呼気プロファイルをテストし、彼らの呼気中にこれらのバイオマーカーが存在することを確認しました (IRB_0065207)。 現在、センサーをスクリーニング検査として使用する可能性を判断するために、感度と特異度の推定値を得るために、より大規模な患者研究が必要とされています。 この研究は、この研究からのデータを安全に収集して保存するために大学の Research Electronic Data Capture (REDCap) システムを使用して、インドのムンバイで実施されます。

この研究は、マハトマ・ガンジー・ミッション保健科学研究所の人体研究倫理委員会および科学諮問委員会によって審査され、承認されています。