Платформа для неинвазивной сортировки больных туберкулезом и картирования пациентов с использованием дыхания через недорогой нанотрубочный датчик на основе диоксида титана

Туберкулез – инфекционное заболевание, вызываемое различными штаммами микобактерий. Обычно он поражает легкие и распространяется по воздуху, когда инфицированный пациент чихает, кашляет или сплевывает. Когда это происходит, бациллы туберкулеза выбрасываются в воздух в виде капель, которые могут оставаться во взвешенном состоянии в течение длительного периода времени. Человеку просто нужно вдохнуть небольшое количество бацилл, чтобы заразиться.

Обычные методы выявления и диагностики ТБ традиционно применяются в лабораториях или больницах. Например, наиболее распространенным методом диагностики туберкулеза является кислотоустойчивое окрашивание образца мокроты, за которым следует микроскопия мазка мокроты. Однако недостатком теста мазка мокроты является его низкая чувствительность, которая оценивается в 70%. Кроме того, было показано, что чувствительность спектроскопии мазка мокроты в полевых условиях намного ниже (35%), особенно в группах населения с высоким уровнем коинфекции туберкулезом и ВИЧ. Выделение микобактерий из образцов мокроты является более чувствительным методом. Образцы мокроты собирают и культивируют либо в твердой, либо в жидкой среде в поисках присутствия микобактерий. Однако эта методика требует времени (3-4 недели для твердых культур и 10-14 дней для жидких культур), что затрудняет ее использование в условиях ограниченных ресурсов, которые обычно находятся далеко от испытательных центров.

Недавно были разработаны другие технологии, в том числе флуоресцентная микроскопия для анализа мазков (на 10 % более чувствительная, чем световая микроскопия), светодиодная флуоресцентная микроскопия для недорогого оборудования для визуализации, которое можно использовать в полевых условиях без необходимости в фотолаборатории, и методы быстрого культивирования для снижения инкубационный период. Несмотря на все усовершенствования, достигнутые в диагностике ТБ, в настоящее время не существует простого недорогого теста POC. Упомянутые выше методы сосредоточены либо на вариациях микроскопии, либо на методе культивирования. В любом случае эти методы требуют лабораторного оборудования и высококвалифицированного персонала, которых обычно нет во многих сельских районах или районах с низким уровнем ресурсов.

Недавние исследования показали, что различные штаммы микобактерий продуцируют различные газообразные летучие биомаркеры, которые можно использовать в качестве методологии для обнаружения и идентификации микобактерий. В частности, Syhre и Chambers обнаружили, что культуры Mycobacterium tuberculosis и Mycobacterium bovis выделяют четыре специфических летучих органических биомаркера (VOB): метилфенилацетат, метил-п-анизат, метилникотинат и о-фениланизол. Эти соединения обнаруживались до визуального появления колоний, что могло иметь значение для выявления латентной туберкулезной инфекции. Сире и др. смогли обнаружить статистически значимые различия метилникотината в дыхании больных туберкулезом с положительным мазком по сравнению со здоровыми (отрицательными по мазку) субъектами. Анализы в этих исследованиях проводились с использованием инструментов анализа газовой хроматографии/масс-спектроскопии. Хотя они эффективны для идентификации и количественного определения сложных газовых проб, они дороги, громоздки и не подходят для диагностики в местах оказания медицинской помощи (POC).

Эти проблемы, связанные с диагностикой туберкулеза, являются значительными, поскольку, по данным ВОЗ, туберкулез является второй по значимости причиной смерти от одного инфекционного организма и ежегодно уносит 1,3 миллиона смертей (более 3500 в день). В целом, по оценкам, в настоящее время во всем мире инфицировано около 2 миллиардов человек, и каждый год происходит 8,6 миллиона новых активных инфекций.[8] Каждый из этих людей может передавать заболевание от 10 до 15 человек в год и при отсутствии лечения сталкиваться со смертностью в 50%. Экономическое бремя туберкулеза ошеломляет: по оценкам Всемирного банка, страны с высоким бременем могут потерять до 7% ВВП из-за снижения производительности труда больных туберкулезом и лиц, осуществляющих уход за ними. Это настолько важно, что только в 2014 году Всемирный банк выделил 100 миллионов долларов на тестирование и лечение туберкулеза в Индии.

По оценкам ВОЗ, из 8,6 миллионов новых случаев активного ТБ, которые возникают ежегодно, примерно 3 миллиона таких пациентов «пропускаются» и не получают необходимого диагноза или лечения. Одной из основных причин такого разрыва являются задержки в доступе к лечению ТБ или длительные сроки проведения диагностических тестов. В результате разработка новых крупномасштабных скрининговых тестов (также известных как тесты на сортировку или тесты на исключение) особенно необходима в связи с тем, что до 80% людей, прошедших тестирование на ТБ, не имеют активного заболевания, что расширяет ограниченный и ценный ресурсы, предназначенные для диагностического тестирования. В результате FIND, мировой лидер в руководстве и координации исследований и разработок в области таких заболеваний, как ТБ, назвал разработку новых скрининговых тестов одним из трех главных приоритетов в борьбе с ТБ.

Это пилотное исследование будет проведено, чтобы определить, осуществима ли недавно разработанная методология обнаружения туберкулеза в POC на основе летучих биомаркеров за счет использования недорогого твердотельного датчика с использованием функционализированных массивов трехмерных нанотрубок TiO2, которые связывают летучие биомаркеры. Если клиническая чувствительность будет достаточной, эта технология может предоставить средства для выявления многих «пропущенных» больных ТБ и позволить сосредоточить ресурсы и усилия тестирования на тех, кто подвергается наибольшему риску заболевания.

Ранее мы протестировали профиль дыхания небольшого числа пациентов из местных противотуберкулезных клиник и подтвердили наличие этих биомаркеров в их дыхании (IRB_0065207). Теперь необходимы более крупные исследования пациентов, чтобы получить оценку чувствительности и специфичности, чтобы определить потенциал использования датчика в качестве скринингового теста. Это исследование будет проводиться в Мумбаи, Индия, с использованием университетской системы электронного сбора данных (REDCap), используемой для безопасного сбора и хранения данных этого исследования.

Это исследование было рассмотрено и одобрено Комитетом по этике исследований на людях и Научно-консультативным комитетом Института наук о здоровье Миссии Махатмы Ганди.