通过低成本二氧化钛纳米管传感器使用呼吸的非侵入性 TB 分诊和患者绘图平台

结核病是由各种分枝杆菌菌株引起的传染病。 它通常会感染肺部，并在受感染的患者打喷嚏、咳嗽或吐痰时通过空气传播。 发生这种情况时，结核杆菌会以液滴的形式被推到空气中，这些液滴可以长时间保持悬浮状态。 一个人只需吸入少量杆菌就会被感染。

传统的结核病检测和诊断方法通常在实验室或医院进行。 例如，最常见的结核病诊断方法是对痰样进行抗酸染色，然后进行痰涂片显微镜检查。 然而，痰涂片检测的缺点是其灵敏度较差，估计为 70%。 此外，事实证明，痰涂片光谱法在现场环境中的灵敏度要低得多 (35%)，尤其是在结核病和 HIV 合并感染率高的人群中。 从痰液样本中培养分枝杆菌是一种更灵敏的技术。 收集痰液样本并在固体培养基或液体培养基中培养以寻找分枝杆菌的存在。 然而，这种方法需要时间来进行（固体培养需要 3-4 周，液体培养需要 10-14 天），这使得它很难在通常远离测试设施的资源匮乏的环境中使用。

最近，开发了其他技术，包括用于涂片检查的荧光显微镜（比光学显微镜灵敏 10%）、用于无需暗室即可在现场使用的廉价成像设备的 LED 荧光显微镜，以及快速培养技术以减少孵化时间。 尽管在 TB 诊断方面已经取得了所有改进，但目前还没有简单廉价的 POC 测试可用。 上述技术要么侧重于显微镜或培养技术的变化。 在任何一种情况下，这些方法都需要实验室设施和训练有素的人员，而这些在许多农村或资源匮乏地区通常是没有的。

最近的研究表明，各种分枝杆菌菌株产生不同的气态挥发性生物标志物，可用作检测和鉴定分枝杆菌的方法。 具体而言，Syhre 和 Chambers 发现结核分枝杆菌和牛分枝杆菌培养物会释放出四种特定的挥发性有机生物标志物 (VOB)：苯乙酸甲酯、对茴香酸甲酯、烟酸甲酯和邻苯甲醚。 这些化合物在菌落出现之前就可以检测到，这可能对检测潜伏性结核感染有影响。 Syhre 等人。与健康（涂片阴性）受试者相比，能够检测到涂片阳性结核病患者呼吸中烟酸甲酯的统计学显着差异。 这些研究中的分析是使用气相色谱/质谱分析工具完成的。 虽然它们可以有效地识别和量化复杂的气体样品，但它们价格昂贵、体积庞大，不适合即时 (POC) 诊断。

根据世界卫生组织的数据，结核病诊断相关的这些挑战非常重要，因为结核病是单一传染性生物体导致死亡的第二大原因，每年导致 130 万人死亡（每天超过 3,500 人）。 总体而言，目前全世界估计有 20 亿人受到感染，每年有 860 万新的活动性感染发生。 [8] 这些人中的每一个人每年都可以将疾病传播给 10 到 15 人，如果不接受治疗，死亡率将达到 50%。 结核病的经济负担是惊人的，因为世界银行估计，由于结核病患者及其护理人员的生产力损失，高负担国家可能损失高达 7% 的 GDP。 它是如此重要，以至于世界银行仅在 2014 年就承诺投入 1 亿美元用于在印度检测和治疗结核病。

在每年发生的 860 万新的活动性结核病病例中，世界卫生组织估计其中大约有 300 万患者被“遗漏”并且没有得到他们需要的诊断或护理。 造成这一差距的主要原因之一是延迟获得结核病相关护理或诊断测试的前置时间过长。 因此，特别需要开发新的大规模筛查测试（也称为分类或“排除”测试），因为接受 TB 测试的人中有多达 80% 没有活动性疾病，这超出了有限且有价值的范围专用于诊断测试的资源。 因此，作为指导和协调结核病等疾病研发的世界领导者，FIND 将开发新的筛查测试列为抗击结核病的三大优先事项之一。

将进行这项试点研究，以确定新开发的基于挥发性生物标志物在 POC 筛查结核病的传感方法是否可行，方法是使用低成本固态传感器，该传感器使用结合挥发性生物标志物的功能化 3D TiO2 纳米管阵列。 如果临床敏感性足够，这项技术可以提供一种方法来识别许多“遗漏”的结核病患者，并允许将测试资源和工作集中在那些患该病风险最高的人身上。

此前，我们已经测试了当地结核病诊所的少数患者的呼吸特征，并确认他们的呼吸中存在这些生物标志物 (IRB_0065207)。 现在需要更大规模的患者研究来评估灵敏度和特异性，以确定使用传感器作为筛选测试的潜力。 本研究将在印度孟买进行，大学的研究电子数据采集 (REDCap) 系统用于安全地收集和存储本研究的数据。

这项研究已经过圣雄甘地使命研究所人类受试者研究伦理委员会和科学咨询委员会的审查和批准。