Translasjonsimmunodiagnostikk ved hjerneslag (TrImS) (TrImS)

Introduksjon

Hjerneslag er en ledende årsak til total dødelighet, sykelighet og funksjonshemming over hele verden. I 2010 var det den nest største dødsårsaken, mens den i 2019 rangerte på tredjeplass totalt for funksjonshemmingsjusterte leveår (DALYs) og andre for de som er 50 år og eldre. Akutt iskemisk hjerneslag (AIS) er en ledende årsak til dødelighet og sykelighet i USA og rammer over 800 000 voksne hvert år. I Hong Kong er det den fjerde største dødsårsaken. Det er ofte innledet av et forbigående iskemisk angrep (TIA) som er en forvarsel for fremtidige cerebrale iskemiske hendelser med 20 % risiko for hjerneslag innen 90 dager.

Hjerneslag er assosiert med iskemiske, inflammatoriske, hemorragiske og aterosklerotiske prosesser knyttet til forstyrrelse av blod-hjernebarrieren og økte blodbårne proteiner og nukleinsyrer. Det er anslått at «gjennomsnittlig varighet av ikke-lacunarisk slagutvikling er 10 timer (intervall 6 til 18 timer), og gjennomsnittlig antall nevroner i den menneskelige forhjernen er 22 milliarder. Hos pasienter som opplever et typisk stort fartøy AIS, går 120 millioner nevroner, 830 milliarder synapser og 714 km (447 miles) myeliniserte fibre tapt hver time. I hvert minutt blir 1,9 millioner nevroner, 14 milliarder synapser og 12 km (7,5 miles) myeliniserte fibre ødelagt. Sammenlignet med normal hastighet av nevrontap i hjernealdring, eldes den iskemiske hjernen 3,6 år hver time uten behandling. Det er også bevis på slik skade i sirkulasjonen innen minutter til timer etter store traumer inkludert hodeskade.

Rettidig diagnostisering av hjerneslag og dets etiologiske klassifisering i slagtyper er viktig ettersom tidlig passende intervensjon resulterer i betydelig forbedrede resultater. For det første påvirker å bestemme årsaken til hjerneslaget hvilken behandling som umiddelbart er foreskrevet. For eksempel er tidlig trombolyse indisert for AIS, men kontraindisert for hemorragisk slag (HS). En diagnose av AIS innen 4,5 timer etter slagdebut etterfulgt av rettidig trombolytisk intervensjon forbedrer slagutfallet. Antikoagulant- og blodplatebehandling er indisert for kardioembolisk hjerneslag eller TIA, men kontraindisert for aterogene slag. Ved sistnevnte anbefales antiplatelet. Okklusjon av store kar behandles bedre ved kirurgi enn konservativt. Forsinkelser i diagnose og tidlig intervensjon teller som unngåelige DALYs, sykelighet, helseutgifter og tidlig dødelighet.

I den utviklede verden blir hjerneslag mistenkt og oppdaget ved klinisk historie og undersøkelse og bekreftet diagnostisk ved cerebrovaskulær avbildning enten ved CT og/eller MR. Selv om nevroimaging presenterer den nåværende beste standarden for slagidentifikasjon og klassifisering, er den langt fra optimal. Nevroimaging gir kun grove estimater av nevrovaskulær skade, klarer ikke å identifisere årsaken (kryptogent hjerneslag) i signifikante 5 - 15 % tilfeller, og gir lite informasjon om cellulær og molekylær patofysiologi. Dette forsinker igjen tidlig behandling og begrenser søket etter potensielle midler for slagforebygging og restitusjon. Videre resulterer fraværet av en objektiv metode for å bestemme utbruddet av hjerneslag, for eksempel hos pasienter som våkner med mistanke om hjerneslag, at 80 % av pasientene med AIS ikke får trombolyse. Derfor er det behov for å forstå den dynamiske patofysiologien til hjerneslag på et tidlig stadium.

Molekylære biomarkører som konvensjonelt og høysensitiv troponin har transformert påvisning og risiko-stratifisering av pasienter med akutt koronarsyndrom. Det finnes imidlertid ingen slike markører for tidlig påvisning, diagnose, klassifisering og risikostratifisering av hjerneslag eller TIA. I løpet av de siste tiårene har etterforskere søkt etter slagmarkører som kan være nyttige for screening, deteksjon, diagnose, klassifisering, overvåking, prediksjon og prognose av hjerneslag. Mange kandidatmarkører har blitt identifisert, men ingen har vært tilstrekkelig nøyaktige eller tidlig nok i hjerneslagutvikling til å finne en plass i klinisk behandling.

Den store utfordringen er å identifisere tidlige, tilgjengelige biomarkører med høy nøyaktighet for å oppdage, diagnostisere og differensiere slagetiologi. Nyere teknologiske funn tyder på at mange blodbaserte markører kan påvises både kvalitativt og kvantitativt i pust og spytt ved bruk av immunoassay og spektral profilering. Slike teknologier gir nøyaktige resultater i løpet av minutter til sekunder. Utfordringen er ikke nedstrøms i translasjonsrørledningen, men oppstrømsfunnene av -omics-markører. Når de er oppdaget, er teknologiene for utvikling av raske analyser og punkt-av-omsorg-tester allerede på plass.

Hjernespesifikke biomarkører i hjerneslag

Jakten på meningsfulle biomarkører ved hjerneslag har vært lang. Det inkluderer genomiske, transkriptomiske, proteomiske, metabolske og lipidomiske tilnærminger. For eksempel tyder nyere studier på at transkriptomikk av fullblod kan muliggjøre nøyaktig AIS-differensiering. Ischemi Care Biomarkers of Acute Stroke Etiology (BASE) etterforskere evaluerer for tiden RNA-genekspresjon i perifert blod hos slagpasienter som viser seg innen 30 timer etter hjerneslag debut (NCT02014896). BASE er en multisenter, prospektiv studie med en estimert registrering av 1100 voksne pasienter og 100 alders-, kjønns- og komorbiditetstilpassede kontroller som oppsøker akuttmottaket (ED) eller sykehus med mistenkt AIS eller TIA. Resultatene av disse studiene er ventet, men for tiden er det ingen tidlig, nøyaktig biomarkørplattform for å veilede slagdeteksjon og diagnostikk.

Det har vært omfattende studier av hjernespesifikke proteomiske biomarkører av gliaceller [f.eks. S100 kalsiumbindende protein B (S100B), glialfibrillært surt protein (GFAP)] og nevronceller [f.eks. ubiquitin C-terminal hydrolase-L1 (UCH-L1), nevronspesifikk enolase (NSE), alfa II-spektrin nedbrytningsprodukter (f.eks. SBDP120, SBDP145 og SBDP150), myelin basisk protein (MBP), nevrofilament lett kjede (NF-L), tau protein, visinin-lignende protein-1 (VLP 1), NR2 peptidskade i cerebrospinalvæske (CSF) og perifert blod i søket etter tidsriktig diagnostisk informasjon for hjerneslag [28]. Likevel har ingen funnet veien inn i klinisk praksis.

Ikke-spesifikke biomarkører i hjerneslag

Som tidligere nevnt er hjerneslag assosiert med generiske, uspesifikke, iskemiske, inflammatoriske, hemorragiske og aterosklerotiske prosesser som er knyttet til forstyrrelse av blod-hjernebarrieren og økte blodbårne proteiner og nukleinsyrer. En detaljert gjennomgang av ikke-spesifikke, men patologi-relevante slagbiomarkører ligger utenfor denne introduksjonen. Imidlertid bør en Omics-tilnærming inkludere en omtale av lipidomi.

Lipidomikkforskning i hjerneslag har inkludert konvensjonelle og avanserte lipidtilnærminger. For eksempel har sfingolipider, fosfolipider (inkludert lyso- og eter-arter), kolesterylestere og glyserolipider vist seg å forutsi fremtidige kardiovaskulære hendelser og kardiovaskulær død, men ikke med noen høy grad av nøyaktighet. Tillegget av syv lipidarter til en basismodell av 14 tradisjonelle risikofaktorer og medisiner forbedret prediksjonen av kardiovaskulære hendelser med en C-statistikk fra 0,680 til 0,700 (P

Det udekkede kliniske behovet

Pasienter kommer ofte til akuttmottak, allmennpraksis, samfunnet, prehospitale og sykehusavdelinger med mistanke om akutt hjerneslag der forsinkelser i diagnose resulterer i forsinkelser i behandlingen og ineffektive helsevesen. Klinisk skarpsindighet er variabel og subjektiv. Nøyaktige, objektive, tidlige, sikre, minimalt invasive, diagnostiske og prognostiske tester er nødvendig for å informere om hjerneslag. ED-er er en av de vanligste innstillingene for akutte presentasjoner av disse sykdommene.

Ubesvarte spørsmål

Mange spørsmål er foreløpig ubesvart. Kan hjerne- og patologispesifikke småmolekylære proteiner og nukleinsyrer påvises kvantitativt i sirkulasjonen (f. fullblod, plasma) og spytt innen minutter til timer etter utbruddet av akutt hjerneslag og TIA? Passer slike deteksjoner en tidsmessig, dynamisk og mekanistisk rolle i de iskemiske, inflammatoriske, immunologiske, hemorragiske, apoptotiske, aterosklerotiske, utvinnings- og regenerative prosessene som er involvert i hjerneslag og TIA? Har forstyrrelser (forhøyelser eller reduksjoner) i slike markører en rolle i påvisning, diagnose, slagklassifisering, prediksjon og prognose hos pasienter med hjerneslag? Gjør kombinasjoner av hjernespesifikke biomarkører og ikke-spesifikke patologiske markører (f.eks. aterosklerotisk, inflammatorisk) forbedre slagdeteksjon, diagnose og differensiering? Kan oppdagelsen av slike markører lede kliniske veier og til slutt føre til nye vaksiner og terapeutiske intervensjoner hos slike pasienter?

Spørsmål

1. Hvilke kombinasjoner av tidlig hjernespesifikke og patologispesifikke panoromiske flytende biopsibiomarkører optimaliserer hjerneslagdeteksjon, diagnose, dynamikk og differensiering hos voksne pasienter som presenterer seg for akutte hjerteinfarkter med mistanke om akutt hjerneslag?

2. Hvilke tidlige panoromiske plattformer med flytende biopsi-biomarkører er nyttige for å forutsi respons på behandling, overvåking og prognose for ulike slagtyper hos voksne pasienter som har mistanke om akutt hjerneslag?

   • Det er mistanke om hjerneslag dersom pasienter er FAST eller LAPSS eller ROSIER positive. Mistenkt hjerneslag inkluderer hjerneslag, TIA, AIS og HS.
   • Flytende biopsi inkluderer fullblod, plasma, serum, hvite cellepelleter og røde blodlegemer, og spytt
   • Flytende biopsibiomarkører inkluderer genomisk, transkriptomisk, proteomisk, metabolomisk, lipidomisk og hematologisk innhold.
   • Slagtyper inkluderer HS og AIS.

Hypotese

Vi antar at hjerneslag involverer en rask, kompleks prosess med iskemi, nekrose, apoptose og forstyrrelse av hjernebarrieren som frigjør vevsspesifikke genomiske, epigenomiske, transkriptomiske og proteomiske markører i blodstrømmen tidlig i løpet av cerebrovaskulær patofysiologi. Disse biomarkørene vil bli oppdaget tidlig i lett tilgjengelige væsker som fullblod, plasma, serum og spytt. De dynamiske endringene vil være nyttige for personlig sykdomsdeteksjon, diagnose, risikostratifisering, sykdoms- og terapeutisk overvåking, prediksjon og prognose. De dynamiske endringene kan også muliggjøre en rimelig vurdering av slagdebut og tillate tidlig intervensjon hos pasienter med ellers ukjent slagdebut.

Mål

Hos voksne pasienter som presenterer seg for EDs innen 24 timer etter symptomdebut med mistanke om akutt hjerneslag, tar vi sikte på:

1. I oppdagelsesforskning - for å identifisere tidlig hjerne- og patologispesifikke sirkulerende, fullblod, plasma og serum panoramiske biomarkører som muliggjør tidlig akutt slagdeteksjon, diagnose, dynamikk, differensiering, overvåking, prediksjon og prognose. I oppdagelsesforskning - for å identifisere tidlige hjerne- og patologispesifikke, panoramiske biomarkører i spytt som muliggjør tidlig akutt slagdeteksjon, diagnose, dynamikk, differensiering, overvåking, prediksjon og prognose.
2. I utviklingsforskning ved bruk av treningssett - for å utlede biomarkørplattformer av modeller for tidlig akutt slagdeteksjon, diagnose, dynamikk, differensiering, overvåking, prediksjon og prognose
3. I valideringsforskning ved bruk av testsett - for å validere disse modellene i uavhengige og eksterne datasett