저비용 이산화티탄 나노튜브 센서를 통한 호흡을 이용한 비침습적 결핵 분류 및 환자 매핑 플랫폼

결핵은 다양한 종류의 마이코박테리아에 의해 발생하는 전염병입니다. 일반적으로 폐를 감염시키고 감염된 환자가 재채기, 기침 또는 침을 뱉을 때 공기를 통해 퍼집니다. 이런 일이 발생하면 TB 간균은 오랜 시간 동안 부유 상태를 유지할 수 있는 물방울 형태로 공기 중으로 날아갑니다. 개인은 소량의 간균을 흡입하기만 하면 감염됩니다.

결핵 검출 및 진단을 위한 기존의 방법은 전통적으로 실험실이나 병원에서 수행됩니다. 예를 들어, TB 진단을 위한 가장 일반적인 방법은 가래 검체의 항산성 염색이며, 이후 객담 도말 현미경 검사가 뒤따릅니다. 그러나 가래 도말 검사의 단점은 민감도가 약하여 70%로 추정됩니다. 또한 현장 설정에서 객담 도말 분광법의 민감도는 특히 결핵 및 HIV 동시 감염률이 높은 집단에서 훨씬 낮은 것으로 나타났습니다(35%). 가래 샘플에서 마이코박테리움을 배양하는 것은 더 민감한 기술입니다. 가래 샘플을 수집하고 고체 배지 또는 액체 배지에서 배양하여 마이코박테리움의 존재를 찾습니다. 그러나 이 방법론은 수행하는 데 시간이 걸리기 때문에(고체 배양의 경우 3-4주, 액체 배양의 경우 10-14일) 일반적으로 테스트 시설에서 멀리 떨어진 리소스가 적은 환경에서 사용하기 어렵습니다.

최근에는 스미어 테스트를 위한 형광현미경(광학현미경보다 10% 더 민감), 암실 없이 현장에서 사용할 수 있는 저렴한 이미징 장비인 LED 형광현미경, 인큐베이션 시간. 결핵 진단의 모든 개선에도 불구하고 현재 사용할 수 있는 간단하고 저렴한 POC 테스트는 없습니다. 위에서 언급한 기술은 현미경 또는 배양 기술의 변형에 중점을 둡니다. 두 경우 모두 이러한 방법에는 일반적으로 시골이나 자원이 부족한 지역에서는 사용할 수 없는 실험실 시설과 고도로 훈련된 인력이 필요합니다.

최근 연구에 따르면 마이코박테리아의 다양한 변종은 마이코박테리아를 감지하고 식별하기 위한 방법론으로 사용할 수 있는 별개의 기체 휘발성 바이오마커를 생성합니다. 구체적으로, Syhre와 Chambers는 Mycobacterium tuberculosis와 Mycobacterium bovis 배양이 메틸 페닐아세테이트, 메틸 p-아니세이트, 메틸 니코티네이트 및 o-페닐아니솔과 같은 4가지 특정 휘발성 유기 바이오마커(VOB)를 제공한다는 사실을 발견했습니다. 이러한 화합물은 콜로니가 시각적으로 나타나기 전에 감지할 수 있었으며 이는 잠복성 결핵 감염 감지에 영향을 미칠 수 있습니다. Syhreet al. 건강한(스미어 음성) 피험자와 비교할 때 스미어 양성 결핵 환자의 호흡에서 메틸 니코티네이트의 통계적으로 유의미한 차이를 감지할 수 있었습니다. 이 연구의 분석은 가스 크로마토그래피/질량 분광 분석 도구를 사용하여 수행되었습니다. 복잡한 가스 샘플을 식별하고 정량화하는 데는 효과적이지만 비싸고 부피가 크며 현장 진단(POC) 진단에는 적합하지 않습니다.

WHO에 따르면 결핵은 단일 감염성 유기체로 인한 사망의 두 번째 주요 원인이며 매년 130만 명(매일 3,500명 이상)의 사망에 책임이 있기 때문에 결핵 진단과 관련된 이러한 문제는 중요합니다. 전체적으로 약 20억 명이 현재 전 세계적으로 감염되어 있으며 매년 860만 건의 새로운 활성 감염이 발생합니다.[8] 이들 개개인은 매년 10~15명에게 질병을 옮길 수 있으며 치료하지 않으면 사망률이 50%에 달합니다. 세계은행은 고부담 국가가 결핵 환자와 그 간병인의 생산성 손실로 인해 GDP의 최대 7%를 잃을 수 있다고 추정함에 따라 결핵의 경제적 부담은 엄청납니다. 세계은행이 2014년 한 해에만 인도의 결핵 검사 및 치료에 1억 달러를 투입한 것은 매우 중요합니다.

매년 발생하는 860만 건의 새로운 활동성 결핵 사례 중에서 WHO는 약 300만 명의 환자가 '실종'되어 필요한 진단이나 치료를 받지 못하는 것으로 추정합니다. 이러한 격차의 주된 이유 중 하나는 결핵 관련 치료에 대한 접근이 지연되거나 진단 테스트를 위한 긴 리드 타임입니다. 그 결과, 결핵 검사를 받은 사람의 최대 80%가 활동성 질병이 없기 때문에 새로운 대규모 선별 검사(분류 분류 또는 '배제' 검사라고도 함) 개발이 특히 필요합니다. 진단 테스트 전용 리소스입니다. 그 결과 결핵과 같은 질병에 대한 연구 개발을 지도하고 조정하는 세계적 리더인 FIND는 새로운 선별 검사 개발을 결핵 퇴치의 3대 우선 순위 중 하나로 선정했습니다.

이 파일럿 연구는 휘발성 바이오마커에 결합하는 기능화된 3D TiO2 나노튜브 어레이를 사용하는 저비용 고체 센서를 사용하여 휘발성 바이오마커를 기반으로 POC에서 결핵을 스크리닝하기 위해 새로 개발된 감지 방법론이 실현 가능한지 여부를 결정하기 위해 수행됩니다. 임상적 민감도가 충분하다면 이 기술은 많은 '놓친' 결핵 환자를 식별할 수 있는 수단을 제공하고 질병에 걸릴 위험이 가장 높은 사람들에게 검사 자원과 노력을 집중할 수 있게 합니다.

이전에 우리는 지역 결핵 클리닉의 소수 환자의 호흡 프로파일을 테스트했으며 호흡에서 이러한 바이오마커의 존재를 확인했습니다(IRB_0065207). 센서를 선별 테스트로 사용할 가능성을 결정하기 위해 민감도와 특이도의 추정치를 얻기 위해 더 큰 규모의 환자 연구가 필요합니다. 이 연구는 이 연구에서 데이터를 안전하게 수집하고 저장하는 데 사용되는 대학의 연구 전자 데이터 캡처(REDCap) 시스템을 사용하여 인도 뭄바이에서 수행됩니다.

이 연구는 Mahatma Gandhi Mission Institute of Health Sciences 윤리 위원회와 과학 자문 위원회에서 검토하고 승인했습니다.