다발성 경화증 피부에서 휘발성 바이오마커 검출을 위한 새로운 나노센서 어레이 (Nano-Skin-MS)

배경 다발성 경화증(MS)은 일반적으로 20-40세에 발병하는 젊은 성인에게 영향을 미치는 가장 흔한 만성 신경 질환입니다. 이 질병은 재발 완화형 MS(RR-MS) 및 원발성 진행성 MS(PP-MS)의 두 가지 주요 표현형을 특징으로 합니다. RR-MS는 질병의 가장 일반적인 유형이며, 질병의 장기 관리를 위해 환자는 질병 활동을 감소시키는 면역 조절 약물(IMD)로 치료됩니다. 치료에 대한 반응은 환자마다 다릅니다. 현재 MS의 진단 및 일상적인 후속 조치에 사용할 수 있는 바이오마커는 없습니다. CSF의 Oligoclonal IgG는 진단을 확인하는 데 도움이 되고 침습적 절차가 필요하며 질병 활동이나 치료에 대한 반응과 관련이 없으며 MS 활동 및 치료를 모니터링할 수 있는 MRI는 일상적으로 사용하기에는 너무 비쌉니다. 더욱이 RR-MS 환자는 재발 에피소드가 인식된 경고 징후 없이 즉시 나타날 수 있기 때문에 상당한 스트레스를 받고 있습니다. 재발 관련 바이오마커를 식별할 수 있는 경우 잠재적인 예측 테스트를 개발할 수 있으며 결국 재발이 확대되기 전에 제공되는 적절한 의학적 대응 조치를 허용할 수 있습니다. 또한 MS의 조기 진단과 재발 예측은 장애 축적률을 줄이고 입원 일수를 절약할 수 있습니다.

여기에서 조사관은 다음을 제안합니다. 휘발성 샘플에서 MS를 예측하고 모니터링하는 간단하고 휴대 가능한 감지 기술의 기능을 추가로 탐색합니다. Hossam Haick 교수의 연구실에서 개발된 기술은 MS에 대한 두 건의 임상 연구를 포함하여 악성 종양, 감염성 및 신경계 질환과 같은 여러 의학적 상태의 진단 가능성을 입증했습니다(Broza et al 2017; Broza et al. 2015; Ionescu 외 2011; Nakhleh 외 2017 및 Peng 외 2009). 이 접근법은 세포막이 주로 양친매성 인지질, 탄수화물 및 다양한 세포 유형에 대해 구별되는 많은 통합 막 단백질로 구성된다는 사실에 의존합니다. 질병 과정에서 세포는 산화 스트레스, 즉 휘발성 유기 화합물(VOC) 방출을 유발하는 세포막의 과산화로 이어질 수 있는 구조적 변화를 겪습니다. 이러한 VOC 중 일부는 세포가 건강한지 여부에 따라 뚜렷하게 다른 혼합 구성으로 나타납니다. MS의 산화 스트레스는 국소 염증성 병변의 조직 손상에 기여하고 미만성 축삭 변성 및 탈수초화에 관여하는 것으로 여겨집니다(Gilgun-Sherki et al 2004). 이 접근 방식에서 특히 중요한 점은 각 유형의 질병에 고유한 VOC 패턴이 있으므로 한 질병의 존재가 일반적으로 다른 질병 유형을 선별하지 않는다는 것입니다. 이러한 VOC는 호기 또는 피부와 같은 다양한 체액에서 직접 감지할 수 있습니다. 경우에 따라 호흡 및 피부 분석은 몇 가지 잠재적 이점을 제공합니다. (a) 호흡/피부 샘플은 비침습적이며 쉽게 얻을 수 있습니다. (b) 호흡/피부는 혈청이나 소변보다 덜 복잡한 혼합물을 포함합니다. (c) 호흡/피부 검사는 실시간 모니터링 가능성이 있습니다. NA-NOSE는 패턴 인식 방법과 함께 광범위한 교차 반응 센서를 사용하여 냄새 감지를 수행합니다(Broza et al 2017; Peng et al 2009). "잠금 및 키" 접근 방식과 달리 NA-NOSE의 각 센서는 다양한 냄새 물질에 광범위하게 반응합니다. 이는 다양한 센서가 민감하게 반응하는 화합물의 다양성을 증가시켜 복잡한 다성분 매질에서 바이오마커 분석을 가능하게 합니다.

REASERCH 목표 및 예상 의의

재발 에피소드에서 조기 표적 치료가 중요하지만, 다가오는 재발 에피소드의 초기 증상을 예측하고 식별하기 위한 충분한 도구를 사용할 수 없습니다. 연구자들은 가장 최근에 호흡 VOC를 사용하여 MS와 비 MS 환자를 분류할 수 있음을 보여주었습니다(Broza et al 2017). 현재 제안의 주요 목표는 이 최근 성과를 추적하고 질병 유형(RR-MS 및 PP-MS)의 잠재적인 바이오마커에 관한 보완 정보를 제공하고 다음을 모니터링하기 위한 피부 기반 VOC 분석의 타당성을 테스트하는 것입니다. MS 환자의 질병 활동 및 구체적으로 재발 에피소드의 예측. 프로젝트 목표는 다음과 같은 특정 목표에 의해 달성됩니다.

목표 1: MS 진단을 위한 바이오마커로서 피부 기반 VOC의 타당성을 연구합니다. 이 부분에서 조사관은 1) VOC 피부 샘플링을 위해 이전에 개발된 방법론을 사용하고 MS 환자(RR-MS, SP-MS, PP-MS)에 맞게 조정합니다. 2) 연구 결과의 특이성을 결정하기 위해 조사관은 센서 기술 및/또는 가스 크로마토그래피 질량 분석법(GC-MS)(의 일부 후속 연구를 위해 계획될 것입니다). 타당한 경우 RR-MS와 SP-MS 및 PP-MS 환자 사이의 피부 기반 VOC 차이를 감지하기 위해 하위 분석이 수행됩니다. 조사관은 다른 자가 면역 또는 다른 신경계 질환 환자와 같은 추가 비-MS 질환 인구 그룹을 포함하는 타당성을 평가할 것입니다. 그렇다면 적절한 수정안이 제출됩니다.

목표 2: 재발 및 완화 동안 VOC 프로필을 측정하고 분석하여 임상적 재발 및 질병 활동의 바이오마커로서 피부 기반 VOC를 확인하고 특성화합니다. 첫 번째 단계의 결과에 따라 조사관은 재발 에피소드의 시작, 진행 및 종료를 나타낼 수 있는 대사 산물의 미묘한 변화를 모니터링하기 위해 피부 기반 VOC 테스트의 기능을 테스트합니다. 재발 동안 바이오마커의 잠재적인 변화를 식별하기 위한 센서 및/또는 GC-MS 분석 작업에 의해 달성될 것입니다. 후속 연구에서 조사관은 재발 대 "가상 재발"을 평가하려고 합니다.

예상되는 중요성, 제안된 연구는 MS 환자의 의료 및 복지에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 질병 활동의 조기 진단 및 예측은 의료 비용을 줄이면서 조기 및 맞춤형 치료 개입, 돌이킬 수 없는 신경학적 손상 및 관련 장애 축적 예방을 가능하게 합니다. 또한 이 프로젝트는 정밀 의학 구현을 위한 의학 연구 및 테라노스틱스(진단에 기반한 치료) 실습에서 바이오마커 감지를 위한 나노센서를 적용하는 중요한 단계가 될 것입니다.

연구 계획 샘플 수집 센서 및/또는 GC-MS 분석을 위해 다양한 신체 위치에서 폴리디메틸실록산(PDMS) 패치를 사용하여 피부 관련 VOC를 수집합니다. 알코올 프렙 패드와 깨끗한 물로 피부를 깨끗이 씻은 후 흡음재를 다른 위치(팔/손 또는 가슴 또는 이마)에 부착합니다. 패치는 알루미늄 호일로 덮고 최대 1시간 동안 의료용 접착 테이프로 밀봉합니다. 각 환자당 총 2-4개의 실리콘 패치가 매번 수집됩니다. PDMS에서 수집된 샘플은 유리 바이알로 옮겨지고 NA-NOSE 및 GC-MS 분석을 위해 Technion으로 보낼 때까지 최대 4°C까지 보관됩니다. 수집된 모든 샘플은 코딩됩니다. 샘플에 가장 적합한 센서를 일치시키기 위해 센서의 신호 응답이 평가됩니다. GC-MS는 MS 및 대조군의 평균 피부 프로필에 대한 초기 정보를 제공하고 샘플링 절차(예: 샘플 시간)에 약간의 조정이 필요한지 평가합니다.

통계 연구된 MS 조건에 대한 특정 패턴 및 예측 모델은 판별 함수 분석(DFA), 주성분 분석(PCA), 신경망(NN) 또는 이와 유사한 고급 패턴 인식 방법을 사용하여 센서 어레이 출력에서 ​​파생됩니다. 결과의 통계적 유의성은 Student's T test, Man Whitney 또는 paired analysis와 같은 파라메트릭 또는 a-파라메트릭 테스트를 사용하여 결정됩니다. 값 p<0.05는 중요한 것으로 간주됩니다.