Nieinwazyjna platforma segregacji gruźlicy i mapowania pacjentów wykorzystująca oddech za pośrednictwem niedrogiego czujnika nanorurkowego dwutlenku tytanu

Gruźlica jest chorobą zakaźną wywoływaną przez różne szczepy prątków. Zwykle infekuje płuca i rozprzestrzenia się w powietrzu, gdy zakażony pacjent kicha, kaszle lub pluje. W takim przypadku prątki gruźlicy są wyrzucane w powietrze w postaci kropelek, które mogą pozostawać zawieszone przez długi czas. Osoba musi po prostu wdychać niewielką ilość prątków, aby się zarazić.

Konwencjonalne metody wykrywania i diagnozowania gruźlicy są tradycyjnie stosowane w laboratoriach lub szpitalach. Na przykład najpowszechniejszą metodą diagnozowania gruźlicy jest kwasoodporne barwienie próbki plwociny, po którym następuje badanie mikroskopowe rozmazu plwociny. Jednak wadą testu wymazu z plwociny jest jego słaba czułość, którą szacuje się na 70%. Ponadto wykazano, że czułość spektroskopii rozmazu plwociny w warunkach terenowych jest znacznie niższa (35%), zwłaszcza w populacjach, w których występuje wysoki odsetek koinfekcji gruźlicy i HIV. Hodowla prątków z próbek plwociny jest bardziej czułą techniką. Próbki plwociny są zbierane i hodowane w pożywkach stałych lub płynnych w poszukiwaniu obecności prątków. Jednak przeprowadzenie tej metodologii wymaga czasu (3-4 tygodnie w przypadku kultur stałych i 10-14 dni w przypadku kultur płynnych), co utrudnia jej zastosowanie w miejscach o niewielkich zasobach, które zazwyczaj znajdują się daleko od obiektów badawczych.

Ostatnio opracowano inne technologie, w tym mikroskopię fluorescencyjną do testów rozmazowych (o 10% bardziej czułą niż mikroskopia świetlna), mikroskopię fluorescencyjną LED do niedrogiego sprzętu do obrazowania, który można stosować w terenie bez konieczności korzystania z ciemni, oraz techniki szybkiej hodowli w celu zmniejszenia czas inkubacji. Pomimo wszystkich ulepszeń, które zostały wprowadzone w diagnostyce gruźlicy, obecnie nie jest dostępny żaden prosty i niedrogi test POC. Wspomniane powyżej techniki skupiają się na odmianach mikroskopii lub techniki hodowli. W obu przypadkach metody te wymagają zaplecza laboratoryjnego i wysoko wyszkolonego personelu, który zazwyczaj nie jest dostępny na wielu obszarach wiejskich lub o niskich zasobach.

Ostatnie badania wykazały, że różne szczepy prątków wytwarzają różne lotne biomarkery gazowe, które można wykorzystać jako metodologię wykrywania i identyfikacji prątków. Konkretnie, Syhre i Chambers odkryli, że kultury Mycobacterium tuberculosis i Mycobacterium bovis wydzielają cztery specyficzne lotne biomarkery organiczne (VOB): fenylooctan metylu, p-anyżan metylu, nikotynian metylu i o-fenyloanizol. Związki te były wykrywalne przed widocznym pojawieniem się kolonii, co może mieć wpływ na wykrywanie utajonej infekcji gruźlicą. Syhre i in. byli w stanie wykryć statystycznie istotne różnice nikotynianu metylu w oddechu pacjentów z gruźlicą z dodatnim wynikiem badania w porównaniu ze zdrowymi (wymaz z ujemnym wynikiem). Analizy w tych badaniach przeprowadzono przy użyciu narzędzi analitycznych do chromatografii gazowej/spektroskopii mas. Chociaż są skuteczne w identyfikowaniu i oznaczaniu ilościowym złożonych próbek gazów, są drogie, nieporęczne i nie nadają się do diagnostyki w miejscu opieki (POC).

Te wyzwania związane z diagnozowaniem gruźlicy są istotne, ponieważ według WHO gruźlica jest drugą najczęstszą przyczyną zgonów z powodu pojedynczego organizmu zakaźnego i odpowiada za 1,3 miliona zgonów rocznie (ponad 3500 każdego dnia). Ogółem szacuje się, że obecnie na całym świecie zarażonych jest około 2 miliardów ludzi, a każdego roku pojawia się 8,6 miliona nowych aktywnych infekcji.[8] Każda z tych osób może przenosić chorobę na 10 do 15 osób rocznie i grozi jej śmiertelność na poziomie 50%, jeśli nie jest leczona. Ekonomiczne obciążenie gruźlicą jest oszałamiające, ponieważ Bank Światowy szacuje, że kraje o dużym obciążeniu mogą stracić do 7% PKB z powodu utraty produktywności pacjentów chorych na gruźlicę i ich opiekunów. Jest to tak ważne, że Bank Światowy przeznaczył 100 milionów dolarów na testowanie i leczenie gruźlicy w Indiach tylko w 2014 roku.

WHO szacuje, że spośród 8,6 miliona nowych przypadków aktywnej gruźlicy, które pojawiają się co roku, około 3 miliony z nich jest „pominiętych” i nie otrzymuje diagnozy ani opieki, której potrzebują. Jedną z głównych przyczyn tej luki są opóźnienia w dostępie do opieki związanej z gruźlicą lub długie terminy badań diagnostycznych. W rezultacie opracowanie nowych testów przesiewowych na dużą skalę (znanych również jako testy segregacyjne lub testy „wykluczające”) jest szczególnie potrzebne ze względu na fakt, że nawet 80% osób przebadanych na gruźlicę nie ma aktywnej choroby, co poszerza ograniczone i cenne zasoby przeznaczone na badania diagnostyczne. W rezultacie projekt FIND, światowy lider w kierowaniu i koordynowaniu prac badawczo-rozwojowych w zakresie chorób takich jak gruźlica, umieścił opracowanie nowych testów przesiewowych jako jeden z 3 najważniejszych priorytetów w walce z gruźlicą.

To badanie pilotażowe zostanie przeprowadzone w celu ustalenia, czy nowo opracowana metodologia wykrywania gruźlicy w POC w oparciu o lotne biomarkery jest wykonalna dzięki zastosowaniu taniego czujnika półprzewodnikowego wykorzystującego funkcjonalizowane macierze nanorurek 3D TiO2, które wiążą lotne biomarkery. Jeśli czułość kliniczna jest wystarczająca, technologia ta może zapewnić środki do identyfikacji wielu „pominiętych” pacjentów z gruźlicą i umożliwić skoncentrowanie zasobów i wysiłków badawczych na tych, którzy są najbardziej narażeni na zachorowanie na tę chorobę.

Wcześniej przetestowaliśmy profil oddechowy niewielkiej liczby pacjentów z lokalnych klinik gruźlicy i potwierdziliśmy obecność tych biomarkerów w ich oddechu (IRB_0065207). Obecnie potrzebne są większe badania pacjentów, aby oszacować czułość i swoistość w celu określenia potencjału wykorzystania czujnika jako testu przesiewowego. Badanie to zostanie przeprowadzone w Mumbaju w Indiach przy użyciu uniwersyteckiego systemu elektronicznego przechwytywania danych (REDCap) służącego do bezpiecznego gromadzenia i przechowywania danych z tego badania.

To badanie zostało zweryfikowane i zatwierdzone przez Komitet Etyczny ds. Badań na Ludziach i Naukowy Komitet Doradczy Mahatmy Gandhi Mission Institute of Health Sciences.