Nieuwe nanosensorarray voor detectie van vluchtige biomarkers van de huid bij multiple sclerose (Nano-Skin-MS)

ACHTERGROND Multiple sclerose (MS) is de meest voorkomende chronische neurologische ziekte die jongvolwassenen treft en begint meestal op de leeftijd van 20-40 jaar. De ziekte wordt gekenmerkt door twee belangrijke fenotypes: Relapse-Remitting MS (RR-MS) en Primary Progressive MS (PP-MS). RR-MS is het meest voorkomende type ziekte. Voor de langetermijnbehandeling van de ziekte worden patiënten behandeld met immunomodulerende geneesmiddelen (IMD) die de ziekteactiviteit verminderen. De respons op therapie varieert van patiënt tot patiënt. Momenteel zijn er geen biomarkers beschikbaar voor de diagnose en routinematige follow-up van MS. Oligoklonaal IgG in het CSF - die de diagnose helpen bevestigen, een invasieve procedure vereisen en niet gecorreleerd zijn met ziekteactiviteit of respons op therapie en MRI, waarmee de MS-activiteit en de behandeling ervan kunnen worden gevolgd, is te duur om routinematig te worden gebruikt. Bovendien staan ​​RR-MS-patiënten onder grote stress, aangezien de episode van terugval onmiddellijk kan optreden zonder een herkend waarschuwingssignaal. Als terugvalgerelateerde biomarkers kunnen worden geïdentificeerd, kan een potentiële voorspellingstest worden ontwikkeld, die uiteindelijk een goede medische tegenactie mogelijk maakt voordat de terugval escaleert. Bovendien zou een vroege diagnose van MS en het voorspellen van een terugval de mate van accumulatie van invaliditeit verminderen en ziekenhuisopnamedagen besparen.

Hier stellen de onderzoekers voor: verder onderzoek naar het vermogen van een eenvoudige en draagbare detectietechnologie om MS te voorspellen en te volgen op basis van vluchtige monsters. De technologie die is ontwikkeld in het laboratorium van prof. Hossam Haick heeft bewezen potentieel te hebben voor de diagnostiek van een aantal medische aandoeningen zoals maligniteiten, infectieziekten en neurologische aandoeningen, waaronder twee klinische onderzoeken naar MS (Broza et al 2017; Broza et al 2015; Ionescu et al 2011; Nakhleh et al 2017 en Peng et al 2009). De benadering is gebaseerd op het feit dat het celmembraan voornamelijk bestaat uit amfipathische fosfolipiden, koolhydraten en veel integrale membraaneiwitten die verschillend zijn voor verschillende celtypen. Bij ziekteprocessen ondergaan cellen structurele veranderingen die kunnen leiden tot oxidatieve stress, d.w.z. een peroxidatie van het celmembraan waardoor vluchtige organische stoffen (VOS) worden uitgestoten. Sommige van deze VOC's komen voor in duidelijk verschillende mengselsamenstellingen, afhankelijk van of een cel gezond is of niet. Aangenomen wordt dat oxidatieve stress bij MS bijdraagt ​​aan weefselbeschadiging in focale inflammatoire laesies en betrokken is bij diffuse axonale degeneratie en demyelinisatie (Gilgun-Sherki et al 2004). Wat bijzonder belangrijk is aan deze benadering, is dat elk type ziekte zijn eigen unieke patroon van VOC's heeft, en daarom zou de aanwezigheid van één ziekte over het algemeen andere ziektetypen niet screenen. Deze VOC's kunnen rechtstreeks uit verschillende lichaamsvloeistoffen worden gedetecteerd, zoals uitgeademde adem of huid. In bepaalde gevallen biedt adem- en huidanalyse verschillende potentiële voordelen: (a) adem-/huidmonsters zijn niet-invasief en gemakkelijk te verkrijgen; (b) adem\huid bevat minder gecompliceerde mengsels dan serum of urine; en (c) adem/huidtesten hebben het potentieel voor real-time monitoring. De NA-NOSE voert geurdetectie uit met behulp van breed kruisreactieve sensoren in combinatie met patroonherkenningsmethoden (Broza et al 2017; Peng et al 2009). In tegenstelling tot de "lock-and-key"-benadering, reageert elke sensor in de NA-NOSE in grote lijnen op een verscheidenheid aan geurstoffen. Dit vergroot de verscheidenheid aan verbindingen waarvoor de vele verschillende sensoren gevoelig zijn, waardoor analyses van biomarkers in complexe media met meerdere componenten mogelijk worden.

ONDERZOEKSDOELSTELLINGEN EN VERWACHTE BETEKENIS

Een vroege gerichte behandeling van terugvalepisoden is van cruciaal belang, maar er zijn niet voldoende instrumenten beschikbaar voor het voorspellen en identificeren van vroege symptomen van een aanstaande terugvalepisode. De onderzoekers hebben onlangs aangetoond dat adem-VOC's kunnen worden gebruikt om te classificeren tussen MS- en niet-MS-patiënten (Broza et al 2017). Het belangrijkste doel van het huidige voorstel is een vervolg te geven aan deze recente prestatie en de plausibiliteit te testen van op de huid gebaseerde VOS-analyse voor het verstrekken van aanvullende informatie over potentiële biomarkers van het ziektetype (RR-MS en PP-MS) en het monitoren van ziekteactiviteit en specifiek voorspelling van terugvalepisode bij MS-patiënten. Projectdoelstellingen zullen worden bereikt door de volgende specifieke doelstellingen:

Doelstelling 1: Onderzoek naar de plausibiliteit van op de huid gebaseerde VOC's als biomarkers voor MS-diagnose. In dit deel zullen de onderzoekers 1) eerder ontwikkelde methodologie voor VOS-huidafname gebruiken en deze aanpassen voor MS-patiënten (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) Om de specificiteit van de bevindingen te bepalen, zullen de onderzoekers het verschil in VOS-profielen tussen MS- en niet-MS-patiënten (gezonde controles) verder testen met behulp van sensortechnologie en/of gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS) (onderdeel van die worden gepland voor vervolgonderzoek). Waar plausibel zal een subanalyse worden uitgevoerd om op de huid gebaseerde VOS-verschillen tussen RR-MS- en SP-MS- en PP-MS-patiënten te detecteren. Op basis van de uitkomst van de eerste stap die vluchtige veranderingen tussen MS en gezonde controles van de huid zal identificeren de onderzoekers zullen de plausibiliteit evalueren om aanvullende niet-MS-zieke bevolkingsgroepen op te nemen, zoals patiënten met andere auto-immuunziekten of andere neurologische aandoeningen. Zo ja, dan wordt het passende amendement ingediend.

Doelstelling 2: Op de huid gebaseerde VOC's identificeren en karakteriseren als biomarkers van de klinische terugval en ziekteactiviteit door het VOS-profiel tijdens terugval en remissie te meten en te analyseren. Op basis van het resultaat van de eerste stap testen de onderzoekers het vermogen van de huidgebaseerde VOS-test om subtiele veranderingen in de metabolieten te volgen die kunnen wijzen op het begin, de progressie en het einde van de terugval. Dit zal worden bereikt door sensor- en/of GC-MS-analysewerk voor het identificeren van mogelijke veranderingen in biomarkers tijdens de terugval. In een vervolgstudie zijn de onderzoekers van plan om terugval versus "pseudo-terugval" te beoordelen.

Verwachte significantie, de voorgestelde studie zou een grote impact kunnen hebben op de medische zorg en het welzijn van MS-patiënten. Vroege diagnose en voorspelling van ziekteactiviteit zullen een vroege en op maat gemaakte therapeutische interventie mogelijk maken, onomkeerbare neurologische schade en de daarmee samenhangende accumulatie van invaliditeit voorkomen, terwijl de medische kosten worden verlaagd. Daarnaast zal het project een belangrijke stap zijn in de toepassing van nanosensoren voor de detectie van biomarkers in medisch onderzoek en de praktijk van theranostiek (therapie op basis van diagnose) in de richting van de implementatie van precisiegeneeskunde.

STUDIEPLAN Monsterafname Huidgerelateerde VOC's zouden worden verzameld met behulp van polydimethylsiloxaan (PDMS)-patches van verschillende lichaamslocaties voor sensoren en/of GC-MS-analyse. De absorberende materialen worden op verschillende plaatsen op de huid aangebracht (arm/hand of borst of voorhoofd), na het reinigen van de huid met een alcoholdoekje en schoon water. De pleisters worden gedurende maximaal een uur afgedekt met aluminiumfolie en verzegeld met medisch plakband. Er worden per keer in totaal 2-4 siliconenpleisters voor elke patiënt verzameld. Verzamelde monsters op PDMS worden overgebracht naar glazen flesjes en bewaard bij maximaal 4 ˚C totdat ze naar de Technion worden gestuurd voor de NA-NOSE- en GC-MS-analyse. Alle verzamelde monsters worden gecodeerd. De signaalrespons van de sensoren wordt geëvalueerd om de beste sensoren voor het monster te matchen. GC-MS geeft initiële informatie over het gemiddelde huidprofiel van MS en controle, en beoordeelt de noodzaak van een kleine aanpassing van de bemonsteringsprocedure (bijv. bemonsteringstijd).

Statistieken Specifieke patronen en voorspellende modellen voor de bestudeerde MS-aandoeningen zullen worden afgeleid van de sensorarray-output, met behulp van geavanceerde patroonherkenningsmethoden zoals discriminantfunctieanalyse (DFA), principale-componentenanalyse (PCA), neurale netwerken (NN) of vergelijkbaar. De statistische significantie van de resultaten wordt bepaald door gebruik te maken van parametrische of a-parametrische tests zoals Student's T-test, Man Whitney of gepaarde analyse. Waarden p<0,05 zullen als significant worden beschouwd.