Icke-invasiv TB-triage och patientkartläggningsplattform med andning via lågkostnadssensor av titandioxid nanorör

TB är en infektionssjukdom som orsakas av olika stammar av mykobakterier. Det infekterar vanligtvis lungorna och sprids genom luften när en infekterad patient nyser, hostar eller spottar. När detta inträffar drivs TB-bacillerna upp i luften i droppar som kan förbli svävande under långa perioder. En individ behöver helt enkelt andas in en liten mängd baciller för att bli infekterad.

Konventionella metoder för upptäckt och diagnos av tuberkulos utförs traditionellt på laboratorier eller sjukhus. Till exempel är den vanligaste metoden för diagnos av tuberkulos syrasnabb färgning av ett sputumprov som sedan följs av ett sputumutstryksmikroskopi. En nackdel med sputumsmear-testet är dock dess dåliga känslighet, som uppskattas till 70 %. Dessutom har känsligheten för sputumsmear-spektroskopi i fältmiljöer visat sig vara mycket lägre (35 %), särskilt i populationer som har höga frekvenser av TB och HIV-saminfektion. Odling av mykobakterier från sputumprover är en mer känslig teknik. Sputumprover samlas in och odlas i antingen fast medium eller flytande medium för att leta efter närvaron av mykobakterien. Denna metod tar dock tid att genomföra (3-4 veckor för fasta kulturer och 10-14 dagar för flytande kulturer), vilket gör det svårt att använda i miljöer med låga resurser som vanligtvis är långt från testanläggningar.

Nyligen har andra teknologier utvecklats, inklusive fluorescensmikroskopi för utstrykstest (10 % känsligare än ljusmikroskopi), LED-fluorescensmikroskopi för billig bildutrustning som kan användas i fält utan behov av mörkrum och snabba odlingstekniker för att minska inkubationstid. Trots alla förbättringar som har gjorts i TB-diagnostik finns för närvarande inget enkelt billigt POC-test tillgängligt. De ovan nämnda teknikerna fokuserar antingen på variationer av mikroskopi eller odlingsteknik. I båda fallen kräver dessa metoder labbanläggningar och högutbildad personal som vanligtvis inte är tillgänglig i många landsbygdsområden eller områden med låg resurs.

Ny forskning har visat att olika stammar av mykobakterierna producerar distinkta gasformiga flyktiga biomarkörer som kan användas som en metod för att detektera och identifiera mykobakterien. Specifikt fann Syhre och Chambers att kulturerna Mycobacterium tuberculosis och Mycobacterium bovis avger fyra specifika flyktiga organiska biomarkörer (VOB): metylfenylacetat, metyl-p-anisat, metylnikotinat och o-fenylanisol. Dessa föreningar var detekterbara före det visuella utseendet av kolonier, vilket kunde ha implikationer vid upptäckt av latent TB-infektion. Syhre et al. kunde upptäcka statistiskt signifikanta skillnader mellan metylnikotinat i andedräkten hos utstrykspositiva TB-patienter jämfört med friska (utstryksnegativa) försökspersoner. Analyser i dessa studier gjordes med hjälp av analysverktyg för gaskromatografi/masspektroskopi. Även om de är effektiva för att identifiera och kvantifiera komplexa gasprover, är de dyra, skrymmande och inte lämpliga för diagnostik på vårdställen (POC).

Dessa utmaningar förknippade med diagnosen tuberkulos är betydande eftersom tuberkulos är den näst vanligaste dödsorsaken på grund av en enda smittsam organism och är ansvarig för 1,3 miljoner dödsfall årligen (över 3 500 varje dag), enligt WHO. Totalt sett är uppskattningsvis 2 miljarder människor för närvarande infekterade över hela världen med 8,6 miljoner nya aktiva infektioner som inträffar varje år.[8] Var och en av dessa individer kan överföra sjukdomen till 10 till 15 personer per år och drabbas av en dödlighet på 50 % om de inte behandlas. Den ekonomiska bördan av tuberkulos är svindlande eftersom Världsbanken uppskattar att länder med hög börda kan förlora upp till 7 % av BNP på grund av produktivitetsförluster från tuberkulospatienter och deras vårdare. Det är så viktigt att Världsbanken åtog sig 100 miljoner dollar för att testa och behandla tuberkulos i Indien bara under 2014.

Av de 8,6 miljoner nya aktiva tuberkulosfall som inträffar årligen, uppskattar WHO att ungefär 3 miljoner av dessa patienter "missas" och inte får den diagnos eller vård de behöver. En av de främsta orsakerna till detta gap är förseningar i tillgången till tuberkulosrelaterad vård eller långa ledtider för diagnostiska tester. Som ett resultat är det särskilt nödvändigt att utveckla nya storskaliga screeningtester (även känd som triage- eller "utesluta"-tester) på grund av det faktum att upp till 80 % av personer som testats för TB inte har aktiv sjukdom, vilket sträcker det begränsade och värdefulla resurser som ägnas åt diagnostiska tester. Som ett resultat av detta rankade FIND, en världsledare inom att vägleda och samordna forskning och utveckling för sjukdomar som TB, utvecklingen av nya screeningtester som en av de tre främsta prioriteringarna i kampen mot TB.

Denna pilotstudie kommer att genomföras för att avgöra om en nyutvecklad avkänningsmetod för screening av TB vid POC baserad på flyktiga biomarkörer är genomförbar genom användning av en lågkostnadssensor i fast tillstånd som använder funktionaliserade 3D TiO2 nanorörsmatriser som binder de flyktiga biomarkörerna. Om den kliniska känsligheten är tillräcklig kan denna teknik ge ett sätt att identifiera många av de "missade" TB-patienterna och tillåta att testresurser och insatser fokuseras på dem som löper störst risk att ha sjukdomen.

Tidigare har vi testat andningsprofilen för ett litet antal patienter från lokala TB-kliniker och har bekräftat förekomsten av dessa biomarkörer i deras andetag (IRB_0065207). Större patientstudier krävs nu för att få en uppskattning av känsligheten och specificiteten för att bestämma potentialen för att använda sensorn som ett screeningtest. Denna studie kommer att genomföras i Mumbai, Indien med universitetets forskningssystem för elektronisk datainsamling (REDCap) som används för att säkert samla in och lagra data från denna studie.

Denna studie har granskats och godkänts av Mahatma Gandhi Mission Institute of Health Sciences Ethical Committee for Research on Human Subjects och Scientific Advisory Committee.