Bidraget fra indusert glykolyse til de utåndede flyktige organiske forbindelsenes (VOCs) signatur i lungekreft

Bidraget fra indusert glykolyse til de utåndede flyktige organiske forbindelsenes (VOCs) signatur i lungekreft

Abstrakt:

Lungekreft er beryktet for sin grusomme dødelighet, da det er den mest dødelige kreften hos både menn og kvinner. Dessverre blir de fleste lungekreftformer oppdaget og diagnostisert på et svært avansert stadium, og dette kompliserer behandlingsalternativene. Derfor er det et stort, udekket behov for å utvikle en effektiv, svært sensitiv, svært spesifikk og ikke-invasiv screeningmetode. Løsningen på dette problemet kan finnes i flyktige organiske forbindelser (VOC) som er organiske molekyler identifisert i utåndet pust. Disse VOC-ene skiller seg mellom de individene som lider av lungekreft og friske individer. Siden økt glykolyse er et av de karakteristiske mønstrene for maligniteter, er formålet med denne studien å bestemme bidraget fra indusert glykolyse til disse utåndede VOC-ene. Derfor vil denne studien sammenligne utåndede pusteprøver hos personer som lider av lungekreft før og etter en glukoseutfordringstest. Denne studien tar sikte på å bedre forstå mekanismene involvert for å identifisere de karakteristiske VOC-ene. Dette kan hjelpe til med å utvikle de så nødvendige diagnostiske midlene for lungekreftscreening.

1. Introduksjon:

   Lungekreft er den dødelige kreften for møll hos både menn og kvinner. [1] Det er to hovedklasser av lungekreft: den første, småcellet lungekreft (SCLC) som ofte omtales som havrecellekreft, og den andre er ikke-småcellet lungekreft (NSCLC), som utgjør majoriteten tilfeller av lungekreft. [2] Dessverre utføres det meste av lungekreftdeteksjon og diagnostisering når kreften er i et avansert, metastatisk stadium der kirurgi ikke er et levedyktig behandlingsalternativ. [3] Påvisning og diagnostisering av dens tidlige stadier kan således forbedre overlevelsesraten på fem år betydelig, samt gi muligheten for en kur.

   En effektiv, ikke-invasiv screeningmetode for lungekreft for å skille biologiske markører funnet i høyrisikogrupper har ennå ikke blitt utviklet. I det siste har forskere begynt å vurdere malene til Volatile Organic Compounds (VOCs) som et mulig middel for tidlig oppdagelse. Disse VOC-ene kan hentes og isoleres fra utåndede pusteprøver. VOC-ene reflekterer den unike metabolske og biokjemiske aktiviteten i ondartede celler. Denne sammenhengen er bevist i flere forskere så vel som i vår egen gruppe [4] som har vist at ikke bare kan VOC skille mellom friske og affiserte individer, men de kan til og med skille mellom SCLC og NSCLC. [5, 6] Den nåværende forskningen vil fokusere på påvisning, identifisering og karakterisering av disse unike biologiske markørene som finnes i utåndingen til de som lider av lungekreft. Blant de VOC som blir oppdaget, vil denne forskningen spesifikt fokusere på de VOC som har potensialet til å bli inkorporert i en effektiv, ikke-invasiv screeningmetode for lungekreft.

   Karsinogenese er en prosess som er bundet til somatisk evolusjon. En av de mest populære evolusjonære fordelene som finnes i ondartede, metastatiske celler er økt opptak av glukose gjennom prosessen med glykolyse. Denne glykolyseprosessen er unik for ondartede celler fordi den er mest uttalt under anaerobe forhold, mens friske celler oftest utfører glykolyse under aerobe forhold. Anaerob glykolyse - prosessen med omdannelse av glukose til melkesyre i nærvær av oksygen - er også kjent som "Warburg-effekten" etter Otto Warburg som oppdaget denne egenskapen. [7]

   Derfor er noen av de karakteristiske prosessene som finnes i ondartede celler den overskridende hastigheten på stoffutveksling og økt glukosedegradering (Warburg-effekten). Disse prosessene frigjør organiske forbindelser, hvorav noen slippes ut i utånding. Derfor vil denne forskningen undersøke forholdet mellom en glukoseutfordringstest og dens effekt på mønsteret på VOC i utåndet pust.

2. Forskningsmål:

   Malen for organiske partikler i utåndet pust skiller mellom de individene som lider av aktiv lungekreft fra de individene som anses som friske. Hensikten med denne studien er å undersøke bidraget fra prosessen med glykolyse til denne unike malen. Siden prosessen med glykolyse akselereres i ondartede celler, antar vi at glukoseutfordringstesten vil uttrykke VOC hos de individene som lider av sykdommen. Disse funnene kan bidra til utviklingen av diagnostiske verktøy for lungekreft.

3. Hypotese:

   Vi antar at Warburg-effekten er en viktig komponent i dannelsen av VOC som er unike for lungekreft, og derfor at glukoseutfordringstesten vil øke produksjonen av disse VOC. Disse markørene har potensialet til å skape en mer effektiv, ikke-invasiv screeningsmetode med forbedret sensitivitet og spesifisitet.

4. Metoder:

4.1 Forskningsdesign: Denne forskningen er en observasjonell case-kontrollstudie som vurderer sammenligningen mellom VOC-prøvene oppnådd fra utåndede pusteprøver og blodprøver tatt før og etter en glukoseprovisjonstest. Glukoseutfordringstesten innebærer å drikke en løsning som inneholder 75 gram glukose og en ventetid på 90 minutter mellom innsamling av utåndet pust og blodprøver. Det er behov for å faste i seks timer før denne testen. I tillegg vil det bli utført en klinisk vurdering basert på den medisinske anamnesen og på eksisterende, gjeldende medisinsk informasjon.

4.2 Studiepopulasjon: Målet med denne forskningen er å finne ut om prosessen med glykolyse bidrar til det unike VOC-mønsteret i utåndingen til de som er rammet av lungekreft. Deltakerne vil bli valgt blant personer som for tiden behandles i lungeklinikker av ulike årsaker. Kontrollgruppen vil inkludere deltakere som har blitt identifisert som høyrisikopersoner for lungekreft, mens studiegruppen vil inkludere deltakere som lider av aktiv lungekreft, men som ennå ikke har begynt noen form for medisinsk behandling.

Rekrutteringsprosessen vil foregå i to påfølgende stadier. I det første trinnet skal tjue pasienter fra studiegruppen sammenlignes med de tjue deltakerne fra kontrollgruppen. På dette tidspunktet vil det bli utført en foreløpig vurdering av dataene for å finne forskjeller i VOC mellom disse to gruppene. Bare i tilfelle disse forskjellene blir funnet vil forskningen gå videre til andre trinn, hvor 30 flere deltakere vil bli rekruttert og testet for studiegruppen.

Kontrollgruppen som tidligere nevnt vil omfatte 20 deltakere som ikke har lungekreft, men som ligner på forskningsgruppen når det gjelder alder, kjønn, sykehistorie og røykehistorie. Denne klassifiseringen vil bli utført basert på selvrapporteringsundersøkelsene gjennomført av deltakerne.

Ekskluderingskriterier for studiepopulasjonen er som følger:

1. Pasienter som er uinteresserte for deltaker og/eller ikke kan signere et samtykkeskjema
2. Lungekreftpasienter som har begynt behandling før denne forskningen
3. Pasienter som ikke er i stand til å fullføre denne forskningen og/eller oppfølgingsbesøkene
4. Personer som lider av diabetes

4.3 Forskningsvariabler:

Hovedvariablene som vil bli brukt for å teste hypotesen vår er som følger:

• Epidemiologiske variabler til deltakerne
• Kvantitative data som definerer de ondartede cellene (TMN, størrelsen på svulsten, antall metastaser og deres plassering)
• Glukosenivåene (via en peilepinne) før og etter glukoseprøvetesten (krever en faste på 6 timer før testen)
• VOC-mønsteret oppnådd fra utåndingsprøvene og karakteriseringen av disse molekylene via GCMS-metoden.

4.4 Forskningsmetoder:

Medisinsk anamnese:

En samling av detaljene i pasientens sykehistorie vil bli innhentet. Informasjon som kjønn, alder, sykehistorie, forbruk av tobakk og familiehistorie vil bli notert. I tillegg vil informasjon som kvantifiserer og kvalifiserer de ondartede cellene (hvis de finnes) samles inn og registreres. Dette inkluderer detaljer som typen svulst samt dens plassering, volum, histologiske egenskaper og bilderesultater. Noe av den medisinske informasjonen vil bli hentet fra eksisterende oppdaterte journaler.

Utåndingsprøve:

Hver deltaker vil gjennomgå en utåndingsprøve før og etter glukoseprøvetesten med en liggeperiode på 90 minutter mellom testene.

Den detaljerte forklaringen angående prosessen med innsamling av utåndede pusteprøver:

Pasienten vil puste ut 3 åndedrag (med 750 ml i hver utånding) inn i passende Mylar-poser i et sterilt område med teknologi som sikrer at utåndingspusten er isolert og upåvirket fra det ytre miljø. Innholdet i Mylar-posene vil bli lagret i TENAX-prøver som bevarer prøvene i en periode på seks måneder. Prøvene skal gjennomgå tilleggsanalyse ved Israel Institute of Technology (Technion) i regi av professor Haim Hussam. Hver prøve vil bli analysert med det formål å identifisere VOC via GC-MS-metoden. Prøven vil gjennomgå ytterligere prosessering som SPME (pre-concentration into solid-phase micro extraction). SPME vil bli overført til GC-MS. GC-MS-metoden gjør det mulig å identifisere forbindelsene på kort tid ved bruk av kromatografiske og spektroskopiske instrumenter. Det spektroskopiske instrumentet vil gjennomgå ytterligere analyse via AOS-instrumentet. AOS inkluderer detektorer som er konjugert til nanopartikler av gull. Hver detektor identifiserer et bredt utvalg av VOC i henhold til deres plassering og konsentrasjon som forårsaker varierende nivåer av motstand. Denne responsen registreres og vil gjennomgå statistisk analyse via PCA for å fokusere på de spesifikke VOC-mønstrene som finnes i prøven.

Den detaljerte forklaringen av prosessen med glukoseutfordringstesten er som følger:

Deltakeren blir bedt om å drikke en sukkerholdig løsning (273 ml) bestående av 75 gram glukose og vann. Testen krever at deltakeren faster i en periode på 6 timer før prøven. Etter å ha drukket løsningen, må deltakeren vente en liggeperiode på 90 minutter før en ny test av hans eller hennes utåndede pust. I tillegg vil nivået av glukose bli testet med en peilepinne før du drikker løsningen, og etter 90 minutters liggeperiode.

4.5 Statistisk analyse: Utvalgsstørrelsen er 70 personer (40 personer i første trinn, og ytterligere 30 deltakere i andre trinn som forklart ovenfor).

Forventningen er at det vil være en betydelig forskjell mellom VOC-malen før og etter glukoseutfordringstesten. Estimert effektforskjell er rundt 30 %, med antagelse om at prøvetakingsfeilen ligger på rundt 10 % og med et konfidensintervall på 95 %. Antall nødvendige deltakere som trengs for å oppnå resultater med statistisk signifikans og størrelseseffekt varierer fra ca. 20-25 personer.

Informasjonen fra AOS som registrerte endringene i motstand vil bli analysert via PCA for å fokusere på de spesifikke VOC-mønsterendringene oppnådd i hver prøve.

De resterende variablene som ble målt kvantitativt vil bli presentert i gjennomsnitt med tilhørende standardavvik. De variablene som ble oppnådd kvantitativt vil bli presentert som prosenter.

Statistisk analyse for signifikans vil bli utført av følgende statistiske tester: Students T-test, Chi-Square, Analysis of Variance (ANOVA), og Kruskal-Wallis-testen. Alle statistiske tester vil bli utført på SPSS dataprogram.