Niet-invasieve tbc-triage en platform voor het in kaart brengen van patiënten met behulp van adem via goedkope titaniumdioxide-nanobuissensor

Tbc is een besmettelijke ziekte die wordt veroorzaakt door verschillende stammen van mycobacteriën. Het infecteert meestal de longen en wordt door de lucht verspreid wanneer een geïnfecteerde patiënt niest, hoest of spuugt. Wanneer dit gebeurt, worden de tbc-bacillen in druppeltjes de lucht in gestuwd die lange tijd kunnen blijven zweven. Een individu hoeft alleen maar een kleine hoeveelheid bacillen in te ademen om geïnfecteerd te raken.

Conventionele methoden voor opsporing en diagnose van tuberculose worden traditioneel uitgevoerd in laboratoria of ziekenhuizen. De meest gebruikelijke methode voor de diagnose van tuberculose is bijvoorbeeld de zuurvaste kleuring van een sputummonster, gevolgd door een sputumuitstrijkje met microscopie. Een nadeel van het sputumuitstrijkje is echter de slechte sensitiviteit, die geschat wordt op 70%. Bovendien is aangetoond dat de gevoeligheid van sputumuitstrijkspectroscopie in veldinstellingen veel lager is (35%), vooral in populaties met hoge percentages tbc en hiv-co-infectie. Het kweken van mycobacteriën uit sputummonsters is een meer gevoelige techniek. Sputummonsters worden verzameld en gekweekt in vaste media of vloeibare media op zoek naar de aanwezigheid van de mycobacterie. Het kost echter tijd om deze methodologie uit te voeren (3-4 weken voor vaste culturen en 10-14 dagen voor vloeibare culturen), wat het moeilijk maakt om deze methode toe te passen in omgevingen met weinig middelen die doorgaans ver verwijderd zijn van testfaciliteiten.

Onlangs zijn andere technologieën ontwikkeld, waaronder fluorescentiemicroscopie voor uitstrijkjes (10% gevoeliger dan lichtmicroscopie), LED-fluorescentiemicroscopie voor goedkope beeldvormingsapparatuur die in het veld kan worden gebruikt zonder dat er een donkere kamer nodig is, en snelle kweektechnieken om Incubatietijd. Ondanks alle verbeteringen die zijn aangebracht in de tbc-diagnose, is er momenteel geen eenvoudige, goedkope POC-test beschikbaar. De hierboven genoemde technieken richten zich ofwel op variaties van microscopie of kweektechniek. In beide gevallen vereisen deze methoden laboratoriumfaciliteiten en hoogopgeleid personeel dat doorgaans niet beschikbaar is in veel landelijke gebieden of gebieden met weinig middelen.

Recent onderzoek heeft aangetoond dat verschillende stammen van de mycobacteriën verschillende gasvormige vluchtige biomarkers produceren die kunnen worden gebruikt als methodologie voor het detecteren en identificeren van de mycobacterie. In het bijzonder ontdekten Syhre en Chambers dat Mycobacterium tuberculosis- en Mycobacterium bovis-culturen vier specifieke vluchtige organische biomarkers (VOB's) afgeven: methylfenylacetaat, methyl-p-anisaat, methylnicotinaat en o-fenylanisol. Deze verbindingen waren detecteerbaar vóór de visuele verschijning van kolonies, wat implicaties zou kunnen hebben bij de detectie van latente tbc-infectie. Syhre et al. waren in staat om statistisch significante verschillen van methylnicotinaat in de adem van uitstrijk-positieve tbc-patiënten te detecteren in vergelijking met gezonde (uitstrijk-negatieve) proefpersonen. Analyses in deze onderzoeken werden uitgevoerd met behulp van analysetools voor gaschromatografie/massaspectroscopie. Hoewel ze effectief zijn bij het identificeren en kwantificeren van complexe gasmonsters, zijn ze duur, omvangrijk en niet geschikt voor point-of-care (POC)-diagnostiek.

Deze uitdagingen in verband met de diagnose van tuberculose zijn aanzienlijk, aangezien tuberculose de op een na belangrijkste doodsoorzaak is als gevolg van een enkel besmettelijk organisme en verantwoordelijk is voor 1,3 miljoen sterfgevallen per jaar (meer dan 3.500 per dag), volgens de WHO. In totaal zijn momenteel wereldwijd naar schatting 2 miljard mensen besmet met 8,6 miljoen nieuwe actieve infecties per jaar.[8] Elk van deze individuen kan de ziekte overdragen aan 10 tot 15 mensen per jaar en wordt geconfronteerd met een sterftecijfer van 50% indien onbehandeld. De economische last van tbc is onthutsend, aangezien de Wereldbank schat dat landen met een hoge tbc tot 7% ​​van het bbp kunnen verliezen als gevolg van productiviteitsverliezen van tbc-patiënten en hun verzorgers. Het is zo cruciaal dat de Wereldbank alleen al in 2014 100 miljoen dollar heeft uitgetrokken voor het testen op en behandelen van tbc in India.

Van de 8,6 miljoen nieuwe gevallen van actieve tuberculose die jaarlijks voorkomen, schat de WHO dat ongeveer 3 miljoen van deze patiënten worden 'gemist' en niet de diagnose of zorg krijgen die ze nodig hebben. Een van de belangrijkste redenen voor deze kloof zijn vertragingen bij de toegang tot tbc-gerelateerde zorg of lange doorlooptijden voor diagnostische tests. Als gevolg hiervan is de ontwikkeling van nieuwe grootschalige screeningtests (ook bekend als triage of 'rule-out'-tests) met name nodig vanwege het feit dat tot 80% van de mensen die op tbc worden getest geen actieve ziekte hebben, waardoor de beperkte en waardevolle middelen die bestemd zijn voor diagnostisch onderzoek. Als gevolg hiervan rangschikte FIND, een wereldleider in het begeleiden en coördineren van onderzoek en ontwikkeling voor ziekten zoals tuberculose, de ontwikkeling van nieuwe screeningtests als een van de top 3-prioriteiten in de strijd tegen tuberculose.

Deze pilotstudie zal worden uitgevoerd om te bepalen of een nieuw ontwikkelde detectiemethodologie voor het screenen van tbc op de POC op basis van vluchtige biomarkers haalbaar is door het gebruik van een goedkope solid-state sensor met behulp van gefunctionaliseerde 3D TiO2-nanobuisarrays die de vluchtige biomarkers binden. Als de klinische gevoeligheid voldoende is, zou deze technologie een manier kunnen zijn om veel van de 'gemiste' tbc-patiënten te identificeren en het mogelijk maken om testmiddelen en -inspanningen te richten op degenen die het grootste risico lopen om de ziekte te krijgen.

Eerder hebben we het ademprofiel van een klein aantal patiënten van lokale tbc-klinieken getest en de aanwezigheid van deze biomarkers in hun adem bevestigd (IRB_0065207). Er zijn nu grotere patiëntenstudies nodig om een ​​schatting te krijgen van de gevoeligheid en specificiteit om het potentieel van het gebruik van de sensor als screeningstest te bepalen. Deze studie zal worden uitgevoerd in Mumbai, India met het Research Electronic Data Capture (REDCap)-systeem van de universiteit dat wordt gebruikt om de gegevens van deze studie veilig te verzamelen en op te slaan.

Deze studie is beoordeeld en goedgekeurd door het Mahatma Gandhi Mission Institute of Health Sciences Ethical Committee for Research on Human Subjects and Scientific Advisory Committee.