Ny nanosensorarray for påvisning av flyktige biomarkører fra hud ved multippel sklerose (Nano-Skin-MS)

BAKGRUNN Multippel sklerose (MS) er den vanligste kroniske nevrologiske sykdommen som rammer unge voksne, med debut vanligvis i alderen 20-40 år. Sykdommen er karakterisert ved to hovedfenotyper: Relapse-Remitting MS (RR-MS) og Primær progressiv MS (PP-MS). RR-MS er den vanligste sykdomstypen, for langtidsbehandling av sykdommen behandles pasienter med immunmodulerende legemidler (IMD) som reduserer sykdomsaktiviteten. Respons på terapi varierer mellom pasienter. For tiden er det ingen tilgjengelige biomarkører for diagnose og rutinemessig oppfølging av MS. Oligoklonal IgG i CSF - som bidrar til å bekrefte diagnosen, krever en invasiv prosedyre og ikke er korrelert med sykdomsaktivitet eller respons på terapi og MR, som tillater overvåking av MS-aktivitet og dens behandling, er for dyrt til å kunne brukes rutinemessig. Dessuten er RR-MS-pasienter under betydelig stress da tilbakefallsepisoden kan vises umiddelbart uten gjenkjent advarselstegn. Hvis tilbakefallsrelaterte biomarkører kan identifiseres, kan det utvikles en potensiell prediksjonstest, som til slutt kan tillate en riktig medisinsk motaksjon før tilbakefall eskalerer. I tillegg vil tidlig diagnose av MS og prediksjon av tilbakefall redusere frekvensen av akkumulering av funksjonshemming og spare sykehusinnleggelsesdager.

Her foreslår etterforskerne: Utforsk ytterligere muligheten til en enkel og bærbar sensingsteknologi til å forutsi og overvåke MS fra flyktige prøver. Teknologien som er utviklet i laboratoriet til prof. Hossam Haick har vist potensial for diagnostikk av en rekke medisinske tilstander som malignitet, infeksjonssykdommer og nevrologiske sykdommer, inkludert to kliniske studier på MS (Broza et al 2017; Broza et al. 2015; Ionescu et al 2011; Nakhleh et al 2017 og Peng et al 2009). Tilnærmingen er avhengig av at cellemembran hovedsakelig består av amfipatiske fosfolipider, karbohydrater og mange integrerte membranproteiner som er forskjellige for forskjellige celletyper. I sykdomsprosesser gjennomgår cellene strukturelle endringer som kan føre til oksidativt stress, det vil si en peroksidasjon av cellemembranen som forårsaker utslipp av flyktige organiske forbindelser (VOC). Noen av disse VOC-ene opptrer i distinkt forskjellige blandingssammensetninger, avhengig av om en celle er sunn eller ikke. Oksidativt stress ved MS antas å bidra til vevsskade i fokale inflammatoriske lesjoner og å være involvert i diffus aksonal degenerasjon og demyelinisering (Gilgun-Sherki et al 2004). Det som er spesielt viktig med denne tilnærmingen er at hver type sykdom har sitt eget unike mønster av VOC, og derfor vil tilstedeværelsen av én sykdom vanligvis ikke screene andre sykdomstyper. Disse VOC-ene kan påvises direkte fra forskjellige kroppsvæsker som utånding eller hud. I visse tilfeller gir pust- og hudanalyse flere potensielle fordeler: (a) puste/hudprøver er ikke-invasive og enkle å få tak i; (b) pust\hud inneholder mindre kompliserte blandinger enn enten serum eller urin; og (c) puste/hudtesting har potensial for sanntidsovervåking. NA-NOSE utfører luktdeteksjon ved bruk av bredt kryssreaktive sensorer i forbindelse med mønstergjenkjenningsmetoder (Broza et al 2017; Peng et al 2009). I motsetning til "lås-og-nøkkel"-tilnærmingen, reagerer hver sensor i NA-NOSE stort sett på en rekke forskjellige luktstoffer. Dette øker variasjonen av forbindelser som de mange forskjellige sensorene er følsomme for, og muliggjør dermed analyser av biomarkører i komplekse multikomponentmedier.

FORSKNINGSMÅL OG FORVENTET BETYDNING

Tidlig målbehandling i tilbakefallsepisoder er avgjørende, men tilstrekkelige verktøy for å forutsi og identifisere tidlige symptomer på en kommende tilbakefallsepisode er ikke tilgjengelig. Etterforskerne har senest vist at pust-VOC kan brukes til å klassifisere blant MS- og ikke-MS-pasienter (Broza et al 2017). Hovedmålet med det nåværende forslaget er å følge opp denne nylige prestasjonen, og teste sannsynligheten til hudbasert VOC-analyse for å gi utfyllende informasjon om potensielle biomarkører av sykdomstype (RR-MS og PP-MS) samt overvåking av sykdomsaktivitet og spesifikt prediksjon av tilbakefallsepisode hos MS-pasienter. Prosjektmål vil bli oppnådd med følgende spesifikke mål:

Mål 1: Å studere plausibiliteten til hudbaserte VOC som biomarkører for MS-diagnose. I denne delen vil etterforskerne 1) benytte tidligere utviklet metodikk for VOC hudprøvetaking og tilpasse den for MS-pasienter (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) For å bestemme spesifisiteten til funnene vil etterforskerne videre teste forskjellen i VOC-profiler mellom MS og ikke-MS-pasienter (friske kontroller) ved bruk av sensorteknologi og/eller gasskromatografi-massespektrometri (GC-MS) (del av som vil bli planlagt for oppfølgingsstudie). Der det er sannsynlig, vil en delanalyse bli utført for å oppdage hudbaserte VOC-forskjeller mellom RR-MS og SP-MS og PP-MS pasienter. Basert på resultatet av det første trinnet som vil identifisere flyktige endringer mellom MS og friske kontroller fra hud etterforskerne vil vurdere sannsynligheten for å inkludere ytterligere ikke-MS-syke befolkningsgrupper, som pasienter med andre autoimmune eller andre nevrologiske sykdommer. Hvis ja, vil en passende endring bli sendt inn.

Mål 2: Å identifisere og karakterisere hudbaserte VOC som biomarkører for klinisk tilbakefall og sykdomsaktivitet ved å måle og analysere VOCs profil under tilbakefall og remisjon. Basert på resultatet av det første trinnet vil etterforskerne teste evnen til den hudbaserte VOC-testen til å overvåke subtile endringer i metabolittene som kan indikere på initiering, progresjon og avslutning av tilbakefallsepisoden. Det vil bli oppnådd ved sensor- og/eller GC-MS-analysearbeid for å identifisere potensiell endring i biomarkører under tilbakefallet. I en oppfølgingsstudie har etterforskerne til hensikt å vurdere tilbakefall vs "Pseudo-tilbakefall".

Forventet betydning, den foreslåtte studien kan ha stor innvirkning på medisinsk behandling og velvære til MS-pasienter. Tidlig diagnose og prediksjon av sykdomsaktivitet vil tillate tidlig og skreddersydd terapeutisk intervensjon, forebygging av irreversible nevrologiske skader og relatert akkumulering av funksjonshemming, samtidig som medisinske kostnader reduseres. I tillegg vil prosjektet være et viktig skritt i bruken av nanosensorer for påvisning av biomarkører i medisinsk forskning og utøvelse av teranostics (terapi basert på diagnose) mot implementering av presisjonsmedisin.

STUDIEPLAN Prøveinnsamling Hudrelaterte VOC vil bli samlet inn ved bruk av polydimetylsiloksan (PDMS) plaster fra forskjellige kroppsplasseringer for sensorer og/eller GC-MS-analyse. De absorberende materialene vil festes til huden på forskjellige steder (arm/hånd eller bryst eller panne), etter å ha renset huden med spritpute og rent vann. Plastrene vil bli dekket med aluminiumsfolie og forseglet med medisinsk tape i opptil en time. Det vil bli samlet inn totalt 2-4 silisiumplaster for hver pasient. Innsamlede prøver på PDMS vil bli overført til et glass hetteglass og lagres opp til 4 ˚C til de sendes til Technion for NA-NOSE og GC-MS analyse. Alle prøvene som samles inn vil bli kodet. Signalresponsen til sensorene vil bli evaluert for å matche de beste sensorene for prøven. GC-MS vil gi innledende informasjon om gjennomsnittlig hudprofil for MS og kontroll, og vil vurdere behovet for liten justering av prøvetakingsprosedyren (f.eks. prøvetid).

Statistikk Spesifikke mønstre og prediktive modeller for de studerte MS-forholdene vil bli utledet fra sensorarrayutgangen, ved bruk av avanserte mønstergjenkjenningsmetoder som diskriminantfunksjonsanalyse (DFA), hovedkomponentanalyse (PCA), nevrale nettverk (NN) eller lignende. Statistisk signifikans av resultater vil bli bestemt ved å bruke parametriske eller a-parametriske tester som Students T-test, Man Whitney eller paret analyse. Verdier p<0,05 vil anses å være signifikante.