用于检测多发性硬化症皮肤挥发性生物标志物的新型纳米传感器阵列 (Nano-Skin-MS)

背景技术多发性硬化症（MS）是影响年轻人的最常见的慢性神经系统疾病，发病年龄通常在 20-40 岁之间。 该疾病的特征在于两种主要表型：复发缓解型 MS (RR-MS) 和原发性进展型 MS (PP-MS)。 RR-MS 是最常见的疾病类型，为了对该疾病进行长期管理，患者需要使用免疫调节药物 (IMD) 进行治疗，从而降低疾病活动度。 患者对治疗的反应各不相同。 目前没有可用于 MS 诊断和常规随访的生物标志物。 CSF 中的寡克隆 IgG - 有助于确认诊断，需要侵入性程序，并且与疾病活动度或对治疗的反应无关，而 MRI 可以监测 MS 活动及其治疗，但过于昂贵而无法常规使用。 此外，RR-MS 患者承受着巨大的压力，因为复发事件可能会立即出现，而没有任何可识别的警告信号。 如果可以识别与复发相关的生物标志物，则可以开发潜在的预测测试，最终可以在复发升级之前提供适当的医学反作用。 此外，MS 的早期诊断和复发预测将降低残疾累积率并节省住院天数。

在此，研究人员建议：进一步探索一种简单且便携的传感技术预测和监测挥发性样品 MS 的能力。 Hossam Haick 教授实验室开发的技术已证明具有诊断多种疾病的潜力，例如恶性肿瘤、传染病和神经系统疾病，包括两项 MS 临床研究（Broza 等人，2017 年；Broza 等人2015 年；Ionescu 等人 2011 年；Nakhleh 等人 2017 年和 Peng 等人 2009 年）。 该方法依赖于这样一个事实，即细胞膜主要由两亲性磷脂、碳水化合物和许多对不同细胞类型不同的整合膜蛋白组成。 在疾病过程中，细胞会发生结构变化，这可能导致氧化应激，即细胞膜过氧化导致挥发性有机化合物 (VOC) 释放。 其中一些 VOC 以截然不同的混合物成分出现，具体取决于细胞是否健康。 MS 中的氧化应激被认为会导致局灶性炎症病变中的组织损伤，并参与弥漫性轴突变性和脱髓鞘 (Gilgun-Sherki 等人 2004)。 这种方法特别重要的是，每种疾病都有其独特的 VOC 模式，因此，一种疾病的存在通常不会筛查其他疾病类型。 这些 VOC 可以直接从不同的体液中检测出来，例如呼出的气体或皮肤。 在某些情况下，呼吸和皮肤分析具有几个潜在优势：(a) 呼吸/皮肤样本是非侵入性的且易于获取； (b) 呼吸/皮肤含有比血清或尿液更简单的混合物； (c) 呼吸\皮肤测试具有实时监控的潜力。 NA-NOSE 使用广泛的交叉反应传感器结合模式识别方法进行气味检测（Broza 等人 2017 年；Peng 等人 2009 年）。 与“锁和钥匙”方法相反，NA-NOSE 中的每个传感器都对各种气味有广泛的反应。 这增加了许多不同传感器对其敏感的化合物的种类，从而能够分析复杂的多组分介质中的生物标志物。

研究目的和预期意义

复发发作的早期靶向治疗至关重要，但尚无足够的工具来预测和识别即将到来的复发发作的早期症状。 研究人员最近表明，呼吸 VOC 可用于对 MS 和非 MS 患者进行分类（Broza 等人，2017 年）。 当前提案的主要目的是跟进这一最近的成就，并测试基于皮肤的 VOC 分析的合理性，以提供有关疾病类型（RR-MS 和 PP-MS）的潜在生物标志物的补充信息以及监测MS 患者的疾病活动和复发事件的具体预测。 项目目标将通过以下具体目标来实现：

目标 1：研究基于皮肤的 VOC 作为 MS 诊断生物标志物的合理性。 在这一部分中，研究人员将 1) 采用先前开发的 VOC 皮肤采样方法，并使其适用于 MS 患者（RR-MS、SP-MS、PP-MS）。 2) 为确定研究结果的特异性，研究人员将使用传感器技术和/或气相色谱质谱法 (GC-MS)（部分这将被计划用于后续研究）。 在合理的情况下，将进行子分析以检测 RR-MS 和 SP-MS 以及 PP-MS 患者之间基于皮肤的 VOC 差异。研究人员将评估纳入其他非 MS 患病人群的可行性，例如患有其他自身免疫性疾病或其他神经系统疾病的患者。 如果是，则将提交适当的修正案。

目标 2：通过测量和分析复发和缓解期间的 VOC 概况，识别和表征基于皮肤的 VOC 作为临床复发和疾病活动的生物标志物。 根据第一步的结果，研究人员将测试基于皮肤的 VOC 测试监测代谢物细微变化的能力，这些变化可能表明复发发作的开始、进展和终止。 这将通过传感器和/或 GC-MS 分析工作来实现，以识别复发期间生物标志物的潜在变化。 在后续研究中，研究人员打算评估复发与“假性复发”。

预期意义，拟议的研究可能对 MS 患者的医疗保健和健康产生重大影响。 疾病活动的早期诊断和预测将允许早期和量身定制的治疗干预，预防不可逆的神经损伤和相关的残疾累积，同时降低医疗成本。 此外，该项目将是纳米传感器在医学研究和治疗诊断学（基于诊断的治疗）实践中应用生物标志物检测以实现精准医学的重要一步。

研究计划 样本收集 皮肤相关的 VOC 将使用来自身体不同部位的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 贴片收集，用于传感器和/或 GC-MS 分析。 用酒精垫和清水清洁皮肤后，吸收材料将附着在不同位置（手臂/手或胸部或前额）的皮肤上。 贴片将用铝箔覆盖并用医用胶带密封长达一个小时。 每次将为每位患者收集总共 2-4 个硅贴片。 在 PDMS 上收集的样品将被转移到玻璃瓶中，并储存至 4 ˚C，直到发送到 Technion 进行 NA-NOSE 和 GC-MS 分析。 所有收集的样本都将被编码。 将评估传感器的信号响应，以便为样品匹配最佳传感器。 GC-MS 将提供有关 MS 和对照的平均皮肤概况的初始信息，并将评估是否需要对采样程序（例如，采样时间）进行轻微调整。

统计 研究的 MS 条件的特定模式和预测模型将从传感器阵列输出中导出，使用高级模式识别方法如判别函数分析 (DFA)、主成分分析 (PCA)、神经网络 (NN) 或类似方法。 结果的统计显着性将通过使用参数或α-参数检验确定，例如Student's T检验、Man Whitney或配对分析。 值 p<0.05 将被认为是显着的。