Snabb, exakt, kostnadseffektiv bedömning av blodbiomarkörer för diagnos av hjärnskakning (RACE)

BAKGRUND

Det uppskattas att 100-300/100 000 människor över hela världen besöker ett sjukhus med traumatisk hjärnskada (TBI) årligen, varav majoriteten klassificeras som lindriga. TBI är en störning i normal hjärnfunktion orsakad av externa biomekaniska krafter som överförs direkt eller indirekt till huvudet, och är en ledande orsak till dödsfall och funktionshinder i Kanada. Ungefär 1 av 450 kanadensare rapporterar hjärnskada som sin mest betydande skada i samband med funktionshinder under föregående år. Mild traumatisk hjärnskada (mTBI) operationaliseras under klinisk svårighetsgrad av en Glasgow Coma Scale (GCS)-poäng på 13-15 och används ofta omväxlande med hjärnskakning, även om den senaste konsensusdefinitionen av hjärnskakning utesluts av positiva fynd om standard neuroimaging-tekniker . Även om de är märkta som lindriga med typiska återhämtningstider inom två veckor efter skada för vuxna och fyra veckor för ungdomar, upplever upp till 30 % av patienterna med hjärnskakning långvariga symtom (huvudvärk, trötthet, yrsel, sömnlöshet, depression, ångest, dålig balans och kognitiva symtom). underskott etc.) som bidrar till betydande funktionsnedsättning och sjukdomsbörda. Under 2016 återvände cirka 10 % av de diagnostiserade hjärnskakningarna i Ontario till akutmottagningen inom 14 dagar efter skadan, vilket ökade kraven på hälso- och sjukvården.

Utlåning till sin identitet som en av de mest komplexa skadorna att diagnostisera och hantera, bygger hjärnskakning för närvarande på subjektiva mått och symptomrapporter som kliniska index för skada. Det har ökat intresse för att ta itu med denna begränsning genom forskningsansträngningar som arbetar för att fastställa objektiva mått på skada, inklusive avancerade neuroimaging avbildningstekniker, maskininlärning av grundläggande fysiologiska funktioner (hjärnvågor, hjärtfrekvens, blodtryck, etc.) och blodbiomarkörer. Blodbiomarkörer har visat lovande resultat när det gäller deras förmåga att upptäcka eller förutsäga svår och måttlig TBI, men resultaten i mTBI är blandade och kräver ytterligare utredning. Två biomarkörer för hjärnskada - glialfibrillärt surt protein (GFAP) och ubiquitin c-terminal hydrolas L1 (UCH-L1) - godkändes nyligen av FDA för att hjälpa till att identifiera behovet av en datortomografi för vuxna mTBI-patienter som kan ha intrakraniella lesioner. Men utöver den för närvarande otillräckliga nivån av bevis avseende tillämpningar av blodbiomarkörer för hjärnskakningsdiagnos eller prognos, förblir ett ytterligare hinder för framtida implementering i en klinisk miljö de höga kostnaderna och tidskrävande analysmetoderna för markördetektering. Single Molecule array technology (SIMOA) är en helautomatisk immunanalys som kan detektera biomarkörer på femtogramnivå, ungefär 900 gånger känsligare än konventionella enzymkopplade immunosorbentanalyser. Som den nuvarande guldstandarden för detektering av biomarkörer med låg koncentration kan betydande monetära och procedurkostnader begränsa SIMOAs framtida tillämpningar för detektering av hjärnskakning av biomarkörer i kliniska miljöer. Lyckligtvis tänjer tekniska framsteg på gränserna för konventionella analysmetoder för att minimera kostnaderna och maximera effektiviteten, och utvecklas mot punkt-of-care analysenheter.

Utredarna har utvecklat en GFAP nano-biosensor som kan mäta GFAP-koncentrationer i liknande storleksordningar som SIMOA. Kortfattat utvecklades den elektrokemiska biosensorn GFAP med användning av nanoporöst kol på screentryckta elektroder med hydroxylamin (NH2OH). De nanobelagda och funktionaliserade elektroderna immobiliserades med monoklonal anti-human GFAP-infångningsantikropp och blockerades sedan med bovint serumalbumin. GFAP-bindningsfrekvensen översattes till serumkoncentrationsnivåer med användning av elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS). Den nanoporösa biosensorn gav ultrakänslig GFAP-detektion i ett brett operativt område av 100 fg/mL - 10 ng/ml koncentrationer i det mänskliga serumet. Den upptäckte selektivt GFAP när den testades mot andra biomarkörer frisatta efter hjärnskada och avslöjade en klinisk känslighet för upptäckt av patienter över TBI svårighetsgrad (totalt n=70; TBI n=26, frisk kontroll n=44) vid 84,62% ​​(95%CI) 65,1 % till 95,6 %) och specificitet vid 61,36 % (CI, 45,5 % till 75,6 %). Detektionsgränsen för GFAP-biosensorn uppmättes till 86,6 fg/ml i serum. Dessutom demonstrerade vår nano-biosensor

MÅL

Primärt mål: Upprätta den kliniska noggrannheten för GFAP nano-biosensorn hos patienter med hjärnskakning som presenteras på akutmottagningen från diagnos till återhämtning. Sekundärt mål: Bedöma känsligheten och specificiteten hos GFAP nano-biosensorn för identifiering av hjärnskakning genom att jämföra hjärnskakningspatienter med muskuloskeletala (MSK) skadekontroller. Tertiärt mål: Bedöma sambandet mellan GFAP nano-biosensorkoncentrationer och psykologiska (depression, ångest), fysiska (huvudvärk, sömnstörningar, etc.) symtom på hjärnskakning från diagnos till återhämtning. Kvartärt mål: Bedöma sambandet mellan kvinnliga menstruationscykelhormonkoncentrationer (progesteron, östrogen) och GFAP nano-biosensorkoncentrationer.

METODER

Den här studien har ett rekryteringsmål på 150 (lika könsrepresentationer) patienter med akut hjärnskakning som kommer till akutmottagningen (ED) vid Foothills Medical Center i åldrarna 18 till 65 år. Dessutom kommer en grupp med 75 (lika könsrepresentationer) muskuloskeletala (MSK) skadekontroller att rekryteras från samma akutmottagning inom samma åldersintervall. I en prospektiv kohortdesign med upprepade åtgärder kommer hjärnskakningspatienter att slutföra ett första besök inom 1 vecka efter skadan, sedan uppföljningsbesök 2-, 6- och 12 veckor efter skadan eller tills de återhämtat sig. Kontrollpatienter (MSK) kommer att genomföra alla åtgärder vid ett enda besök. Hjärnskakningspatienter som inte är återställda 12 veckor efter skadan kommer att ombes fylla i frågeformulär 6 månader efter skadan. Studiemått inkluderar kliniska resultatbedömningar av livskvalitet, global hälsa, depression, ångest, sömn och symtom på hjärnskakning, tillsammans med blodprover. Patienter med hjärnskakning kommer att uppmanas att fylla i skalan efter hjärnskakning (PCSS) dagligen via en onlinelänk som skickas till dem varje morgon för att övervaka återhämtningen. För syftet med denna studie kommer en patient att anses vara återställd om alla symtom har försvunnit och indikerar 100 % på en glidande skala som frågar hur återställd patienten känner sig från hjärnskakningen. Alla andra frågeformulär kommer att fyllas i före första och uppföljande blodtagningar. Forskare kommer också att förse patienter med hjärnskakning med en QR-kod kopplad till utredarnas webbplats där patienter kommer att ha tillgång till utbildningsresurser för hjärnskakning för att förstå skadan. De två analysteknikerna kommer att jämföras med hjälp av medeldetektions- och distributionskurvor och Bland-Altman-analys. Prestandan hos GFAP-biosensingskit vid upptäckt av okomplicerade hjärnskakningspatienter och övervakning av deras återhämtning kommer att bedömas i plasma och serum. Den kliniska känsligheten och specificiteten för GFAP-biosensorn i plasma och serum kommer att utvärderas med hjälp av mottagarens funktionskarakteristik (ROC)-kurvan i jämförelse med SIMOA.