Nowa macierz nanoczujników do wykrywania lotnych biomarkerów ze skóry w stwardnieniu rozsianym (Nano-Skin-MS)

Tło Stwardnienie rozsiane (SM) jest najczęstszą przewlekłą chorobą neurologiczną dotykającą młodych dorosłych, z początkiem zwykle w wieku 20-40 lat. Choroba charakteryzuje się dwoma głównymi fenotypami: rzutowo-remisyjne stwardnienie rozsiane (RR-MS) i pierwotnie postępujące stwardnienie rozsiane (PP-MS). Najczęstszym typem choroby jest RR-SM, w celu długotrwałego leczenia pacjentów stosuje się leki immunomodulujące (IMD), które zmniejszają aktywność choroby. Odpowiedź na terapię jest różna u pacjentów. Obecnie nie ma dostępnych biomarkerów do diagnozy i rutynowej obserwacji SM. Oligoklonalne IgG w płynie mózgowo-rdzeniowym – które pomagają potwierdzić diagnozę, wymagają inwazyjnego postępowania i nie są skorelowane z aktywnością choroby ani odpowiedzią na terapię i MRI, które pozwalają monitorować aktywność SM i jego leczenie, są zbyt drogie, aby można je było rutynowo stosować. Co więcej, pacjenci z RR-MS są w znacznym stresie, ponieważ epizod nawrotu może pojawić się natychmiast bez rozpoznanego znaku ostrzegawczego. Jeśli uda się zidentyfikować biomarkery związane z nawrotami, można opracować potencjalny test predykcyjny, który ostatecznie umożliwi odpowiednie przeciwdziałanie medyczne przed eskalacją nawrotu. Dodatkowo wczesna diagnoza SM i przewidywanie nawrotu zmniejszyłoby tempo kumulacji niepełnosprawności i zaoszczędziłoby dni hospitalizacji.

Tutaj badacze proponują: dalsze badanie zdolności prostej i przenośnej technologii wykrywania do przewidywania i monitorowania MS na podstawie lotnych próbek. Technologia opracowana w laboratorium prof. Hossama Haicka wykazała potencjał w diagnostyce szeregu schorzeń, takich jak nowotwory złośliwe, choroby zakaźne i neurologiczne, w tym w dwóch badaniach klinicznych nad SM (Broza i in. 2017; Broza i in. 2015; Ionescu i in. 2011; Nakhleh i in. 2017 oraz Peng i in. 2009). Podejście opiera się na fakcie, że błona komórkowa składa się głównie z amfipatycznych fosfolipidów, węglowodanów i wielu integralnych białek błonowych, które są różne dla różnych typów komórek. W procesach chorobowych komórki przechodzą zmiany strukturalne, które mogą prowadzić do stresu oksydacyjnego, czyli peroksydacji błony komórkowej, która powoduje emisję lotnych związków organicznych (LZO). Niektóre z tych LZO pojawiają się w wyraźnie różnych składach mieszanin, w zależności od tego, czy komórka jest zdrowa, czy nie. Uważa się, że stres oksydacyjny w SM przyczynia się do uszkodzenia tkanki w ogniskowych zmianach zapalnych i bierze udział w rozproszonej degeneracji aksonów i demielinizacji (Gilgun-Sherki i wsp. 2004). Szczególnie istotne w tym podejściu jest to, że każdy rodzaj choroby ma swój własny, unikalny wzorzec LZO, a zatem obecność jednej choroby generalnie nie byłaby badaniem przesiewowym innych typów chorób. Te LZO można wykryć bezpośrednio w różnych płynach ustrojowych, takich jak wydychany oddech lub skóra. W niektórych przypadkach analiza oddechu i skóry oferuje kilka potencjalnych korzyści: (a) próbki oddechu/skóry są nieinwazyjne i łatwe do uzyskania; (b) oddech\skóra zawiera mniej skomplikowane mieszaniny niż surowica lub mocz; oraz (c) badanie oddechu/skóry ma potencjał monitorowania w czasie rzeczywistym. NA-NOSE wykrywa zapachy za pomocą czujników o szerokim zakresie reakcji krzyżowych w połączeniu z metodami rozpoznawania wzorców (Broza i in. 2017; Peng i in. 2009). W przeciwieństwie do podejścia „zamka i klucza”, każdy czujnik w NA-NOSE w szerokim zakresie reaguje na różne substancje zapachowe. Zwiększa to różnorodność związków, na które jest wrażliwych wiele różnych czujników, umożliwiając w ten sposób analizę biomarkerów w złożonych, wieloskładnikowych podłożach.

CELE BADAŃ I OCZEKIWANE ZNACZENIE

Wczesne ukierunkowane leczenie epizodów nawrotu ma kluczowe znaczenie, jednak nie są dostępne wystarczające narzędzia do przewidywania i identyfikowania wczesnych objawów nadchodzącego epizodu nawrotu. Badacze ostatnio wykazali, że lotne związki organiczne w wydychanym powietrzu można wykorzystać do sklasyfikowania pacjentów ze stwardnieniem rozsianym i pacjentów bez stwardnienia rozsianego ( Broza i wsp. 2017). Głównym celem obecnego wniosku jest kontynuacja tego niedawnego osiągnięcia i przetestowanie wiarygodności analizy LZO na skórze w celu dostarczenia uzupełniających informacji dotyczących potencjalnych biomarkerów typu choroby (RR-MS i PP-MS), jak również monitorowania aktywność choroby, a szczególnie przewidywanie epizodu nawrotu u pacjentów z SM. Cele projektu będą realizowane przez następujące cele szczegółowe:

Cel 1: Zbadanie wiarygodności VOC opartych na skórze jako biomarkerów do diagnozy stwardnienia rozsianego. W tej części badacze 1) zastosują wcześniej opracowaną metodologię pobierania próbek skóry LZO i dostosują ją do pacjentów z SM (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) Aby określić specyficzność wyników, badacze będą dalej testować różnice w profilach LZO między pacjentami ze stwardnieniem rozsianym a pacjentami bez SM (zdrowe grupy kontrolne) przy użyciu technologii czujników i\lub chromatografii gazowej i spektrometrii masowej (GC-MS) (część które zostaną zaplanowane do dalszych badań). Tam, gdzie jest to możliwe, zostanie przeprowadzona analiza podrzędna w celu wykrycia różnic LZO w skórze między pacjentami z RR-MS a SP-MS i PP-MS W oparciu o wynik pierwszego etapu, który zidentyfikuje lotne zmiany między stwardnieniem rozsianym a zdrowymi kontrolami ze skóry badacze ocenią prawdopodobieństwo włączenia dodatkowych grup populacji nie chorujących na stwardnienie rozsiane, takich jak pacjenci z innymi chorobami autoimmunologicznymi lub innymi chorobami neurologicznymi. Jeśli tak, to zostanie złożona odpowiednia poprawka.

Cel 2: Zidentyfikować i scharakteryzować LZO pochodzące ze skóry jako biomarkery nawrotu klinicznego i aktywności choroby poprzez pomiar i analizę profilu LZO podczas nawrotu i remisji. W oparciu o wynik pierwszego etapu badacze przetestują zdolność skórnego testu VOC do monitorowania subtelnych zmian w metabolitach, które mogą wskazywać na początek, progresję i zakończenie epizodu nawrotu. Zostanie to osiągnięte poprzez pracę z czujnikami i/lub analizę GC-MS w celu identyfikacji potencjalnych zmian w biomarkerach podczas nawrotu. W kolejnym badaniu badacze zamierzają ocenić nawrót w porównaniu z „pseudo-nawrotem”.

Oczekiwane znaczenie, proponowane badanie może mieć duży wpływ na opiekę medyczną i dobre samopoczucie pacjentów z SM. Wczesna diagnoza i przewidywanie aktywności choroby pozwoli na wczesną i dopasowaną interwencję terapeutyczną, zapobieganie nieodwracalnym uszkodzeniom neurologicznym i związanej z tym akumulacji niepełnosprawności przy jednoczesnym obniżeniu kosztów leczenia. Dodatkowo projekt będzie ważnym krokiem w zastosowaniu nanosensorów do wykrywania biomarkerów w badaniach medycznych i praktyce teranostyki (terapii opartej na diagnostyce) w kierunku wdrożenia Medycyny Precyzyjnej.

PLAN BADANIA Pobieranie próbek Lotne związki organiczne związane ze skórą byłyby zbierane przy użyciu plastrów z polidimetylosiloksanu (PDMS) z różnych miejsc ciała do czujników i/lub analizy GC-MS. Materiały pochłaniające zostaną przymocowane do skóry w różnych miejscach (ramię/dłoń lub klatka piersiowa lub czoło), po uprzednim oczyszczeniu skóry gazikiem nasączonym alkoholem i czystą wodą. Plastry będą przykryte folią aluminiową i zaklejone medyczną taśmą klejącą na maksymalnie godzinę. Za każdym razem pobierane będą 2-4 silikonowe plastry od każdego pacjenta. Próbki zebrane na PDMS zostaną przeniesione do szklanych fiolek i będą przechowywane w temperaturze do 4˚C do czasu wysłania do Technion w celu analizy NA-NOSE i GC-MS. Wszystkie pobrane próbki zostaną zakodowane. Odpowiedź sygnału czujników zostanie oceniona w celu dopasowania najlepszych czujników dla próbki. GC-MS dostarczy wstępnych informacji na temat przeciętnego profilu skóry SM i grupy kontrolnej oraz oceni potrzebę niewielkiej korekty procedury pobierania próbek (np. czasu pobierania próbki).

Statystyka Konkretne wzorce i modele predykcyjne dla badanych warunków MS zostaną uzyskane z danych wyjściowych z matrycy czujników, przy użyciu zaawansowanych metod rozpoznawania wzorców, takich jak analiza funkcji dyskryminacyjnej (DFA), analiza głównych składowych (PCA), sieci neuronowe (NN) lub podobne. Istotność statystyczna wyników zostanie określona za pomocą testów parametrycznych lub a-parametrycznych, takich jak test T Studenta, Man Whitney lub analiza par. Wartości p<0,05 będą uważane za istotne.