Biomarkörer för akustisk emission för upptäckt och övervakning av tidig knäartros

Sjukdomsbakgrund Artros (OA) är ett mycket utbrett och handikappande tillstånd som drabbar över 7 % av människor globalt (528 miljoner människor). Det begränsar avsevärt deras rörlighet och självständiga livsstil. OA beskrivs huvudsakligen av förlust av brosk, strukturella förändringar i ben och inflammation i synovium och ledkapsel. Vanliga riskfaktorer inkluderar åldrande, fetma, tidigare ledskada och överanvändning. OA tar flera år att utveckla, innan patienten träffar läkaren när smärtan intensifieras. I tidiga stadier är patienterna asymtomatiska eller upplever endast aktivitetsrelaterad smärta. Smärtan blir konstant över tiden med intermittenta intensiva smärtepisoder. I regioner runt om i världen uppskattas den genomsnittliga årliga kostnaden för OA för en individ mellan USD 700–15 600 USD (2019). Följaktligen har OA en stor socioekonomisk påverkan på grund av dess höga medicinska kostnader, förtidspensioneringar och höga frånvaro från arbetet.

OA påverkar vanligtvis höfter, knän, händer, fötter och ryggrad, med en hög förekomst av polyartikulär involvering. Denna studie fokuserar på artrose i knäet.

Nuvarande standard för bedömning Den nuvarande guldstandarden för bedömningen av svårighetsgraden av knä-OA är baserad på vanlig röntgen, med hjälp av Kellgren-Lawrence (KL) graderingssystem, som accepterades som en standard av Världshälsoorganisationen 1961. Detta system utvärderar inte den primära påverkade vävnaden - brosket - utan bara den övergripande aspekten av leden. Den kan därför inte upptäcka tidiga stadier av artrose och diagnosen ställs ofta i ett sent skede, med få behandlingsalternativ förutom knäprotesplastik.

Alternativa bedömningsmetoder Tidigare diagnostisk och förbättrad patientstratifiering krävs för att sätta in förebyggande OA-behandlingar. Möjliga tidiga diagnostiska alternativ inkluderar magnetisk resonanstomografi (MRI) och biokemiska markörer. MRT kan användas för att bedöma förändringar i broskvolym, tjocklek eller till och med kvalitet, men utbredd användning av MRT begränsas av dess höga kostnad, tillgänglighet och avsaknaden av en validerad internationell poäng. Många biokemiska markörer är för närvarande under utredning, men än så länge saknar de specificitet för ledvävnader och för särskilda leder, och känsligheten och specificiteten är fortfarande inte tillräckligt hög för utbredd klinisk användning.

På senare tid har det funnits ett växande intresse för akustisk analys som ett alternativ till konventionella biomarkörer, särskilt för knäleden där dåligt smorda rörliga ledytor genererar onormala ljud som akustisk analys kan avslöja.

Projektets relevans Inmodi-knästödet, utvecklat vid ETH Lausanne, är en enhet designad för en bedömning av knähälsan under rörelse. Dess kärnteknologi kombinerar akustiska, termiska och kinematiska sensorer och en artificiell intelligens (AI)-baserad dataanalys för att extrahera relevanta biomarkörer för ledfunktion.

Preliminära data tyder på att detta kombinerade tillvägagångssätt kan möjliggöra en icke-invasiv tidig diagnos av OA. Hos hästar fann man ett starkt samband mellan ledtillståndet och kraften hos de analyserade akustiska emissionssignalerna (AE). Kombination av data (akustiska data/rörelsedata) innehåller sannolikt mer information om knäets funktionella hälsa, men sådan data är mycket tung (beräkningsmässigt) och ett algoritmiskt tillvägagångssätt som AI verkar vara det bästa alternativet för att extrahera meningsfulla parametrar och kombinera dem till kliniskt användbara biomarkörer . Nyligen testade utredarna en prototyp av inmodi knästöd hos sjutton patienter från kliniken strax före total knäprotesplastik (TKA). Dessa patienter led av svår artrose på benet under operation och mild till måttlig på den kontralaterala. En maskininlärningsalgoritm kunde särskilja bentillstånden med en specificitet på 0,96 (perfekt = 1).

Syftet med detta nya projekt är att ytterligare utforska potentialen hos inmodi-systemet för att diagnostisera OA i tidigare skeden. För detta kommer utredarna att utveckla en preliminär referensdatabas i en subpopulation som riskerar att utveckla OA. Identifieringen och valideringen av nya biomarkörer med en AI-algoritm kräver en träningsdatauppsättning och en testdatauppsättning, både med potentiella biomarkörer och kliniska resultat av guldstandard för validering. Denna databas kommer att kräva en provstorlek som är tillräckligt stor för att vara statistiskt korrekt för att förhindra statistisk överanpassning.

Icke-invasiv knähälsodiagnostik bör hjälpa till att identifiera patienter i riskzonen till en relativt låg kostnad och utan strålningsexponering och möjliggöra att förebyggande åtgärder kan implementeras tidigare än med vanliga röntgenåtgärder.

Riskkategori A (minimal): Avbildningsförfaranden innehåller (1) MRT av båda knäna, som är icke-joniserande och (2) EOS full benskanning med mycket lägre stråldos av konventionell röntgen. En annan procedur är funktionstestet med inmodi knästöd på båda benen. Sannolikheten för att en biologisk effekt på celler ska uppstå från röntgenstrålning är mycket låg. Andra risker är psykologiska, relaterade till "screening overdiagnosis", eller klaustrofobisk stress och bullerbesvär i MRT-skannern. Vidare finns det en risk för datasekretess, som utredarna försöker minimera genom att följa de juridiska och interna dataskyddsreglerna.