Onderzoekers hebben de eerste sensor ontwikkeld die in staat is om inflammatoire darmaandoeningen (IBD) objectief te identificeren en onderscheid te maken tussen de twee subtypes. Het apparaat vertegenwoordigt een aanzienlijke prestatie in de richting van een meer gepersonaliseerde benadering van de diagnose en behandeling van IBD, een chronische ontsteking van het maagdarmkanaal die meer dan 1 miljoen Amerikanen treft.

De huidige diagnostische en behandelingsprocedures voor IBD zijn onnauwkeurig en berusten grotendeels op trial-and-error. In het tijdschrift The Optical Society Biomedische Optica Express , onderzoekers rapporteren over een pilotstudie van een op maat ontwikkelde endoscoop die de chemische vingerafdruktechniek Raman-spectroscopie gebruikt om moleculaire markers van IBD in de dikke darm te detecteren.

De sensor is ontworpen als een minimaal invasieve sonde die gemakkelijk kan worden geïntegreerd in een routine colonoscopie-onderzoek. Na verdere verfijning, de onderzoekers zeggen dat artsen het apparaat kunnen gebruiken om IBD te diagnosticeren en de reactie van een patiënt op de behandeling te evalueren.

"Met de huidige methoden uiteindelijk is de diagnose afhankelijk van hoe de patiënt in de loop van de tijd op de therapie reageert, en vaak weet je de diagnose pas na een paar jaar, " zei Anita Mahadevan-Jansen van de Vanderbilt University, VS, senior auteur van het artikel, die het project is gestart na een persoonlijke ervaring met IBD. "Daarom hebben we besloten om een ​​op licht gebaseerde methode te gebruiken om de biochemie van wat er in de dikke darm gebeurt te onderzoeken. Ons doel is om Raman-spectroscopie te gebruiken om naar de daadwerkelijke ontstekingssignalen te kijken."

Op zoek naar een gouden standaard voor diagnose

IBD komt voor in twee subtypes:colitis ulcerosa (UC), die meestal beperkt is tot de dikke darm, en de ziekte van Crohn, die in elk deel van het maagdarmkanaal kan voorkomen. Ze kunnen vergelijkbare symptomen veroorzaken, zoals ernstige diarree, pijn, vermoeidheid en gewichtsverlies, toch reageren de twee typen verschillend op beschikbare behandelingen, waaronder medicijnen, dieetinterventies en chirurgie.

Artsen gebruiken momenteel een combinatie van klinische, radiologische en pathologische methoden om het IBD-subtype van een patiënt te diagnosticeren en behandelbeslissingen te begeleiden, maar deze methoden detecteren symptomen, in plaats van de onderliggende bron van ziekte, en het proces heeft geen objectieve gouden standaard gehad. Als resultaat, tot 15 procent van de patiënten wordt gediagnosticeerd met onbepaalde colitis, wat betekent dat het subtype onbekend is, en nog eens 5 tot 14 procent heeft hun IBD opnieuw geclassificeerd op basis van hoe ze op de behandeling reageren.

Eerder onderzoek uitgevoerd in weefselmonsters van mensen met IBD toonde aan dat UC en de ziekte van Crohn verschillende moleculaire handtekeningen hebben. De nieuwe sonde detecteert deze handtekeningen om informatie te verzamelen over niet alleen het ziektesubtype, maar ook de huidige mate van ontsteking en zelfs vroege indicatoren van IBD die optreden vóór waarneembare veranderingen in het darmweefsel.

"De meeste mensen ondergaan een baseline colonoscopie als onderdeel van routinematige zorg, en je zou je kunnen voorstellen dit te gebruiken om een ​​basis Raman-signaal voor elke persoon te krijgen, " zei Mahadevan-Jansen. "Als iemand zich later met IBD-symptomen presenteert, u kunt ons systeem opnieuw gebruiken om te bepalen of het waarschijnlijker is dat het UC of de ziekte van Crohn is. Zodra ze worden behandeld, je hebt een objectieve maatstaf om hun reactie te volgen, omdat je het apparaat kunt gebruiken om milde, matige of ernstige ontsteking."

Een kliniekklaar apparaat maken

Om de sonde te ontwikkelen, de onderzoekers gebruikten eerst weefselmonsters en diermodellen om voorlopige biomarkers en spectrale handtekeningen te identificeren die consistent zijn met IBD. Vervolgens bouwden ze op maat een draagbaar Raman-spectroscopiesysteem met een 785 nm diodelaser en glasvezelsonde die 80 mW levert aan het oppervlak van de dikke darm.

"Het maatwerk was zowel de verpakking - om ervoor te zorgen dat het gemakkelijk in het endoscopiekanaal past en door de windingen van de dikke darm kan buigen - als om de juiste diepte in de weefsels waar we naar kijken te onderzoeken om er zeker van te zijn dat we een robuuste meting kunnen krijgen , " legde Mahadevan-Jansen uit.

Raman-spectroscopie is eerder toegepast in het maagdarmkanaal voor het opsporen van kanker, maar het gebruik ervan om markers van ontsteking te meten, brengt enkele unieke uitdagingen met zich mee, omdat de signalen veel subtieler zijn. Dit vereiste speciale engineering, bijvoorbeeld, om filters op te nemen die de Raman-signatuur elimineren die wordt geproduceerd door de componenten van de sonde zelf.

In hun pilottest de onderzoekers gebruikten het apparaat bij 15 patiënten met een bestaande diagnose van de ziekte van Crohn, acht patiënten met UC en acht gezonde vrijwilligers. In het algemeen, de resultaten suggereren een hoge gevoeligheid (het vermogen om IBD te detecteren) maar een slechte specificiteit (het vermogen om onderscheid te maken tussen subtypes), hoewel de resultaten variëren afhankelijk van de mate van ontsteking en waar de meting is uitgevoerd. Bij het meten van de rechter dikke darm bij patiënten met actieve ontsteking, bijvoorbeeld, het apparaat detecteerde de ziekte van Crohn met een gevoeligheid van 90 procent en een specificiteit van 75, vergeleken met 86 procent en 39 procent, respectievelijk, wanneer de resultaten worden gemiddeld over alle ziektetoestanden, ontstekingsniveaus en locaties in de dikke darm.

Vooruit kijken

De onderzoekers zijn nu gericht op het verfijnen van een reeks algoritmen die artsen helpen bij het interpreteren van testresultaten voor een bepaalde patiënt. Om de specificiteit van de test te verbeteren, het team analyseert gegevens van een uitgebreid cohort patiënten om te onderscheiden hoe factoren zoals geslacht, eetpatroon, demografie en behandelingsregime beïnvloeden de Raman-handtekening. uiteindelijk, ze stellen zich een systeem voor dat belangrijke informatie over de patiënt combineert met Raman-spectra om te leveren, in een kwestie van seconden, op maat gemaakte resultaten die een diagnose kunnen stellen of helpen bij het volgen van de reactie van een patiënt op de behandeling.

"Het is een unieke manier van denken over gepersonaliseerde geneeskunde die rekening houdt met allerlei soorten informatie - niet alleen het genoom - inclusief demografische gegevens en vele andere factoren die een persoon uniek maken, "zei Mahadevan-Jansen. "Ons lab heeft echt gepusht om manieren te vinden om optische technologie toe te passen om dit soort gepersonaliseerde geneeskunde te ondersteunen."

De onderzoekers doen ook onderzoek in diermodellen om de bronnen van verschillende moleculaire signalen beter te begrijpen, identificeer de soorten veranderingen die kunnen worden verwacht als gevolg van de behandeling en bepaal of het apparaat kan worden gebruikt om IBD of risicofactoren in nog eerdere stadia te detecteren.