特徴的な揮発性プロファイルによる一般的な口腔疾患の診断

古代ギリシャの医師は、患者の息の匂いを嗅ぐことが診断に役立つことを理解していました。 ただし、このかなり原始的な診断方法は何世紀にもわたってあまり変わっていませんが、近年、多くの代謝疾患や感染症の非侵襲的早期診断方法の改善に対する関心が高まっています。

現在、多くの病気が診断の遅れにより見逃され、悪化しています。 歯科医療では、患者は定期検診であっても歯科医の訪問を避ける傾向があり、そのため、容易に予防できたはずの痛みや不快感に苦しみ、病気が進行した段階になって初めてクリニックを訪れます。病気を引き起こし、治療結果を危険にさらします。

これらの理由から、診断補助として機能し、1) 効率的な早期発見と 2) 治療のカスタマイズを可能にする、安価で低侵襲の技術が緊急に必要とされています。

揮発性有機化合物（以下、VOC）、つまり室温で蒸気圧が比較的高い有機化合物の検出に基づく診断手段は、前述のニーズに対する答えとなる可能性があります。

呼気中の揮発性有機化合物を検出するための「電子鼻」 疾患特有の揮発性有機化合物は、主に体内の特定の生化学経路の変化を通じて生成されます。 VOC は、ヒトまたは細菌の細胞によって生成された後、感染細胞および/またはその微小環境、血液、呼気、唾液などの体液中に検出されることがあります。 したがって、起源から放出された VOC は、血液および細胞のヘッドスペースから直接検出できます。

世界中の多くの研究グループが、呼気中の非侵襲的 VOC 検出の可能性を研究しており、これにより癌 (肺、乳房、結腸直腸)、結核、腎不全、喘息などのさまざまな全身疾患 6 の診断が可能になります。 問題の VOC はアルカン (C4 ～ C20)、メチルアルケン、ベンゼン誘導体で、健康な人では 1 ～ 20 ppb (10 億分の 1) の濃度で見られますが、病気では疾患特有の VOC の濃度が増加します。 VOC は、酸化ストレスによる損傷を受けた組織、代謝反応の一部としての肝臓、または免疫系によって生成されることが示唆されています。

「電子鼻」は、空気サンプルの揮発性組成を認識できる装置です。 このデバイスは、物理的または化学的情報を電気信号に変換できるナノ受容体のアレイで構成されています。 アレイ内のすべての受容体は、分析サンプル内の物質に対して異なる反応を示し、いくつかの受容体からのこれらの反応の組み合わせにより、品質 (つまり、サンプル中にどの分子が存在するか) と量 (つまり、各分子の正確な濃度はどれくらいですか?)。

空気サンプル分析用の電子ノーズ システムは、通常、次の 3 つの主要なコンポーネントで構成されます。

1. 呼気・ヘッドスペース収集装置
2. 処理装置
3. 分類アルゴリズム。 最初で最も普及しているこのような装置は、ガスクロマトグラフィー/質量分析 (GC-MS) システムでの空気サンプル分析に基づいています。 高度なシステムには、メチルオキシド センサー (MOS) またはナノレセプターが含まれます。

ナノ受容体ベースの電子鼻システム (NaNose) が、共同研究代表者 (教授) の研究室で開発されています。 Haick、化学工学部、テクニオン、ハイファ、イスラエル）は、10 億分の 1 (1μg/l) の濃度で微量の VOC を検出できます。 このシステムは、20 個以上の受容体アレイによって同時に検出される数百の分子からの大量のデータを分析できるコンピューター化されたシステムと組み合わせることで、感度と効率の点で他の「電子鼻」デバイスを上回ります。 高価で遅い GC-MS システムとは対照的に、呼気検査用の理想的なナノマテリアルベースのセンサーは、環境的または生理学的交絡因子が存在する場合でも、非常に低濃度の揮発性有機化合物で感度が高くなければなりません。 また、濃度の小さな変化にも迅速かつ比例的に反応し、特定の化合物に固有の一貫した出力を提供する必要があります。 問題の化合物と接触していない場合、センサーはすぐにベースライン状態に戻るか、使い捨てできるほどシンプルで安価である必要があります。

このような受容体を使用した空気サンプリングは比較的簡単であり、その結果は自動的に解釈されるため、大規模集団の費用対効果の高いスクリーニングに適しています。 検査が陽性となった患者のみが、治療が提案される前に、早期診断を確認するために従来の不快な診断を必要とします。

それにもかかわらず、既存のVOCベースの診断法はすべて、呼気は肺、上部消化管、および鼻成分の少ない口腔など、多数の起源の組み合わせであることを忘れがちです。 肺からの空気の組成と揮発性プロファイルは、がんの早期診断アプローチを見つける手段として、ここ 10 年間に徹底的に研究されましたが 10,15、口腔成分はほとんど手付かずのままでした。

健康な人の口腔内のマイクロニッチには、1000 種を超える異なる細菌種が含まれる可能性があるバイオフィルムが存在します。 積極的な機械的または化学的洗浄がないと、バイオフィルムが蓄積、変化、成熟し、歯肉炎として知られる軟組織の炎症を引き起こします。 一部の個人および特定の条件下では、炎症が歯周病に進行し、バイオフィルムの組成が、病原性と組織破壊能力が増大した、より高い割合の嫌気性グラム陰性細菌に変化します。 バイオフィルム微生物以外にも、口腔内の VOC 発生源としては、血清、歯肉滲出液、炎症を起こした歯肉組織、ただれや病変、唾液腺、副鼻腔、鼻腔に関連する病状、胃腸逆流、歯間に閉じ込められた食物残渣、環境汚染物質などが挙げられます。 。 ハーテルら。らは最近、特定の口腔細菌および真菌のヘッドスペースにおける独特の揮発性プロファイルを報告しました。

我々は、ナノレセプターベースのボラトロミクスが、呼気サンプルに基づいた口腔疾患の非侵襲的早期診断のための診断手段として使用できるという仮説を立てています。

提案された研究は、NaNose に基づいた、呼気サンプルによる一般的な口腔疾患の迅速でユーザーフレンドリーな非侵襲的診断法の基礎を築くことを目的としています。 これは、近い将来、市場性のある臨床用または家庭用の診断装置を作成するための基盤として機能するでしょう。

具体的な目的:

1. 歯肉炎、歯周病、虫歯と診断された患者の口腔から採取した微生物サンプルのヘッドスペース中の一般的な口腔疾患に関連するVOCを検出および分析し、健康な患者の対照群と比較します。
2. 一般的な口腔疾患の揮発性プロファイルの特性評価と特定の診断用ナノレセプターの定義。

望ましい結果

1. 提案された研究の結果は、歯科専門家だけでなく在宅ケアにも革命をもたらす可能性があります。 現在まで、個人が自分の口腔状態を知る唯一の方法は歯科医の予約を入れることですが、人口のかなりの割合が定期的な検査や治療を避けています。 自宅やドラッグストアで簡単かつ非侵襲的な空気サンプリングを可能にする簡単なツールにより、患者の服薬遵守率と治癒率が大幅に向上し、医療費が削減されます。
2. 口腔由来の空気の VOC マッピングは、肺由来の空気サンプルの診断価値を高める可能性があり、その結果、癌、腎不全、その他の内部疾患の非侵襲的早期診断の精度、感度、特異性が向上します。

メソッド

ステージ 1 – 一般的な口腔疾患に関連する VOC の検出と分析 既知の細菌株 (ミュータンス連鎖球菌、サングイニス連鎖球菌、ポルフィロモナス ジンジバリス、フソバクテリウム ヌクレアタム、アシネトバクター アクチノミセテムコミタンス、タンネレラ レンギョウ、アシドフィルス菌) を、適切な培地が入った密封ボトルで個別に培養します。ボトル内のユニークなヘッドスペースの収集と分析。 培養後、ヘッドスペースは Tenax 吸収チューブ (Sigma-Aldrich、28718-U SUPELCOTenax® TA / Carboxen® 1018) に収集され、GC-MS (ガスクロマトグラフィー-質量分析) で分析されます。 すべての細菌株の固有の揮発性プロファイルは、統計分析によって決定されます。 完全な治験プロトコルは、以下の付録 1 で入手できます。

各菌株について 3 回繰り返します。

ステージ 2 - 一般的な口腔疾患の揮発性プロファイルの特性評価と特定の診断用ナノレセプターの定義 試験サンプルは、ステージ 1 と同様に密閉ボトル内で培養された口腔細菌プラークと感染象牙質のものになります。

患者は学生の診療所から採取され、歯科治療の一環としてサンプルが採取されます。つまり、将来の修復のための虫歯や感染象牙質の除去、歯周病治療のための歯石や歯垢の除去です。

1. 治療セッションの開始時に、患者からインフォームド・コンセントを取得し、除去した歯垢/感染象牙質を研究に使用することに同意します。 標準治療プロトコルからの逸脱は予想されません。

   1. 歯周病患者の歯垢サンプルは、大まかなスケーリングが開始される前に、手動ツール (Gracey 5-6 キュレット) を使用して、下顎切歯の頸部領域から採取されます。
   2. 準備された窩洞の最初の形状の輪郭が描かれた後、齲蝕歯の感染象牙質サンプルが手動ツール (スプーン エクスカベーター) で採取されます。
2. 収集されたサンプルは、上記のステージ 1 と同様に、Wilkins-Chalgren 培地の入った密閉ボトル内で 37°C で 48 時間培養されます。 滅菌培地の入ったボトルを対照として使用します。
3. 次に、ヘッドスペースが収集され、上記のステージ 1 のポイント 5 ～ 8 と同様に分析されます。
4. この時点で、各患者の固有の不安定なプロファイルが臨床診断 (歯周病/虫歯の程度) と関連付けられ、統計的一貫性が分析されます。
5. ステージ1～2で収集したデータを全体として統計分析します。