Ny nanosensormatris för detektion av flyktiga biomarkörer från hud vid multipel skleros (Nano-Skin-MS)

BAKGRUND Multipel skleros (MS) är den vanligaste kroniska neurologiska sjukdomen som drabbar unga vuxna, med debut vanligtvis i åldern 20-40 år. Sjukdomen kännetecknas av två huvudsakliga fenotyper: Relapse-Remitting MS (RR-MS) och Primary Progressive MS (PP-MS). RR-MS är den vanligaste typen av sjukdom, för långtidsbehandling av sjukdomen behandlas patienter med immunmodulerande läkemedel (IMD) som minskar sjukdomsaktiviteten. Svaret på behandlingen varierar mellan patienter. För närvarande finns det inga biomarkörer tillgängliga för diagnos och rutinmässig uppföljning av MS. Oligoklonal IgG i CSF - som hjälper till att bekräfta diagnosen, kräver en invasiv procedur och inte är korrelerad med sjukdomsaktivitet eller svar på terapi och MRT, som möjliggör övervakning av MS-aktivitet och dess behandling, är för dyrt för att kunna användas rutinmässigt. Dessutom är RR-MS-patienter under en betydande stress eftersom återfallsepisoden kan uppträda omedelbart utan något igenkänt varningstecken. Om återfallsrelaterade biomarkörer kan identifieras kan ett potentiellt förutsägelsetest utvecklas, som så småningom kan möjliggöra en korrekt medicinsk motåtgärd innan återfallet eskalerar. Dessutom skulle tidig diagnos av MS och förutsägelse av återfall minska graden av ackumulering av funktionshinder och spara sjukhusvistelsedagar.

Här föreslår utredarna: ytterligare utforska förmågan hos en enkel och bärbar avkänningsteknik för att förutsäga och övervaka MS från flyktiga prover. Tekniken som har utvecklats i professor Hossam Haicks labb har visat potential för diagnostik av ett antal medicinska tillstånd såsom malignitet, infektionssjukdomar och neurologiska sjukdomar, inklusive två kliniska studier på MS (Broza et al 2017; Broza et al. 2015; Ionescu et al 2011; Nakhleh et al 2017 och Peng et al 2009). Tillvägagångssättet bygger på det faktum att cellmembranet huvudsakligen består av amfipatiska fosfolipider, kolhydrater och många integrerade membranproteiner som är olika för olika celltyper. I sjukdomsprocesser genomgår celler strukturella förändringar som kan leda till oxidativ stress, det vill säga en peroxidation av cellmembranet som gör att flyktiga organiska föreningar (VOC) släpps ut. Vissa av dessa flyktiga organiska föreningar förekommer i distinkt olika blandningssammansättningar, beroende på om en cell är frisk eller inte. Oxidativ stress vid MS tros bidra till vävnadsskada i fokala inflammatoriska lesioner och vara involverad i diffus axonal degeneration och demyelinisering (Gilgun-Sherki et al 2004). Vad som är särskilt viktigt med detta tillvägagångssätt är att varje typ av sjukdom har sitt eget unika mönster av VOC, och därför skulle närvaron av en sjukdom i allmänhet inte screena andra sjukdomstyper. Dessa VOC kan detekteras direkt från olika kroppsvätskor som utandningsandning eller hud. I vissa fall erbjuder andnings- och hudanalys flera potentiella fördelar: (a) andnings/hudprover är icke-invasiva och lätta att erhålla; (b) andedräkt\hud innehåller mindre komplicerade blandningar än antingen serum eller urin; och (c) andnings-/hudtestning har potential för övervakning i realtid. NA-NOSE utför luktdetektering med hjälp av brett korsreaktiva sensorer i kombination med mönsterigenkänningsmetoder (Broza et al 2017; Peng et al 2009). I motsats till "lås-och-nyckel"-metoden är varje sensor i NA-NOSE i stort sett känslig för en mängd olika luktämnen. Detta ökar variationen av föreningar som de många olika sensorerna är känsliga för, vilket möjliggör analyser av biomarkörer i komplexa multikomponentmedia.

FORSKNINGSMÅL OCH FÖRVÄNTAD BETYDNING

Tidig målbehandling vid återfallsepisoder är avgörande, men tillräckliga verktyg för att förutsäga och identifiera tidiga symtom på en kommande återfallsepisod är inte tillgängliga. Utredarna har senast visat att andnings-VOC kan användas för att klassificera bland MS- och icke-MS-patienter (Broza et al 2017). Huvudsyftet med det nuvarande förslaget är att följa upp denna senaste prestation och testa rimligheten av hudbaserad VOC-analys för att tillhandahålla kompletterande information om potentiella biomarkörer av sjukdomstyp (RR-MS och PP-MS) samt övervakning av sjukdomsaktivitet och specifikt förutsägelse av återfallsepisod hos MS-patienter. Projektmålen kommer att uppnås genom följande specifika mål:

Mål 1: Att studera rimligheten hos hudbaserade VOC som biomarkörer för MS-diagnos. I denna del kommer utredarna 1) att använda tidigare utvecklad metodik för VOC-hudprovtagning och anpassa den för MS-patienter (RR-MS, SP-MS, PP-MS). 2) För att fastställa specificiteten hos fynden kommer utredarna att ytterligare testa skillnaden i VOC-profiler mellan MS och icke-MS-patienter (friska kontroller) med hjälp av sensorteknologi och/eller gaskromatografimasspektrometri (GC-MS) (en del av som kommer att planeras för uppföljningsstudie). Där det är rimligt kommer en delanalys att utföras för att upptäcka hudbaserade VOC-skillnader mellan RR-MS och SP-MS och PP-MS-patienter Baserat på resultatet av det första steget som kommer att identifiera flyktiga förändringar mellan MS och friska kontroller från huden utredarna kommer att utvärdera rimligheten att inkludera ytterligare icke-MS-sjuka befolkningsgrupper, såsom patienter med andra autoimmuna eller andra neurologiska sjukdomar. Om ja, kommer ett lämpligt tillägg att lämnas in.

Mål 2: Att identifiera och karakterisera hudbaserade VOC som biomarkörer för kliniskt återfall och sjukdomsaktivitet genom att mäta och analysera VOCs profil under skov och remission. Baserat på resultatet av det första steget kommer utredarna att testa förmågan hos det hudbaserade VOC-testet att övervaka subtila förändringar i metaboliterna som kan tyda på initiering, progression och avslutning av återfallsepisoden. Det kommer att uppnås genom sensor- och/eller GC-MS-analysarbete för att identifiera potentiella förändringar i biomarkörer under återfallet. I en uppföljningsstudie avser utredarna att bedöma återfall vs "pseudo-återfall".

Förväntad betydelse, den föreslagna studien kan ha stor inverkan på MS-patienters medicinska vård och välbefinnande. Tidig diagnos och förutsägelse av sjukdomsaktivitet kommer att möjliggöra tidig och skräddarsydd terapeutisk intervention, förebyggande av irreversibla neurologiska skador och relaterad ackumulering av funktionshinder samtidigt som medicinska kostnader minskar. Dessutom kommer projektet att vara ett viktigt steg i tillämpningen av nanosensorer för detektion av biomarkörer i medicinsk forskning och utövande av terapi (terapi baserad på diagnos) mot implementering av Precision Medicine.

STUDIEPLAN Provtagning Hudrelaterade flyktiga organiska föreningar skulle samlas in med hjälp av polydimetylsiloxan (PDMS) plåster från olika kroppsplatser för sensorer och/eller GC-MS-analys. De absorberande materialen kommer att fästas på huden på olika ställen (arm/hand eller bröst eller panna), efter rengöring av huden med alkoholförberedande pad och rent vatten. Plåstren kommer att täckas med aluminiumfolie och förseglas med medicinsk tejp i upp till en timme. Totalt kommer 2-4 silikonplåster för varje patient att samlas in vid varje tillfälle. Insamlade prover på PDMS kommer att överföras till en glasflaska och förvaras upp till 4 ˚C tills de skickas till Technion för NA-NOSE och GC-MS-analys. Alla prover som samlas in kommer att kodas. Sensorernas signalsvar kommer att utvärderas för att matcha de bästa sensorerna för provet. GC-MS kommer att ge initial information om den genomsnittliga hudprofilen för MS och kontroll, och kommer att bedöma behovet av en liten justering av provtagningsproceduren (t.ex. provtiden).

Statistik Specifika mönster och prediktiva modeller för de studerade MS-tillstånden kommer att härledas från sensormatrisens utdata, med hjälp av avancerade mönsterigenkänningsmetoder som diskriminantfunktionsanalys (DFA), principal component analysis (PCA), neurala nätverk (NN) eller liknande. Den statistiska signifikansen av resultaten kommer att bestämmas genom att använda parametriska eller a-parametriska tester som Students T-test, Man Whitney eller parad analys. Värden p<0,05 kommer att anses vara signifikanta.