Forskare har utvecklat den första sensorn som objektivt kan identifiera inflammatorisk tarmsjukdom (IBD) och skilja mellan dess två undertyper. Enheten representerar en betydande prestation mot ett mer personligt tillvägagångssätt för att diagnostisera och behandla IBD, en kronisk inflammation i mag-tarmkanalen som drabbar mer än 1 miljon amerikaner.

Nuvarande diagnostiska och behandlingsprocedurer för IBD är inexakta och bygger till stor del på trial-and-error. I The Optical Societys tidskrift Biomedicinsk Optik Express , forskare rapporterar om en pilotstudie av ett specialutvecklat endoskop som använder den kemiska fingeravtryckstekniken Raman-spektroskopi för att upptäcka molekylära markörer för IBD i tjocktarmen.

Sensorn är designad som en minimalt invasiv sond som enkelt kan integreras i en rutinmässig koloskopiundersökning. Efter ytterligare förädling, forskarna säger att läkare kan använda enheten för att diagnostisera IBD och utvärdera en patients svar på behandlingen.

"Med nuvarande metoder, i slutändan beror diagnosen på hur patienten svarar på behandlingen över tid, och ofta vet man inte diagnosen förrän det har gått några år, " sa Anita Mahadevan-Jansen från Vanderbilt University, USA, senior författare av tidningen, som initierade projektet efter en personlig erfarenhet av IBD. "Det är därför vi bestämde oss för att använda en ljusbaserad metod för att undersöka biokemin av vad som händer i tjocktarmen. Vårt mål är att använda Raman-spektroskopi för att titta på de faktiska inflammatoriska signalerna."

Söker en guldstandard för diagnos

IBD förekommer i två undertyper:ulcerös kolit (UC), som vanligtvis är begränsad till tjocktarmen, och Crohns sjukdom, som kan förekomma i vilken del av mag-tarmkanalen som helst. De kan orsaka liknande symtom som svår diarré, smärta, trötthet och viktminskning, ändå svarar de två typerna olika på tillgängliga behandlingar, som inkluderar droger, kostinsatser och kirurgi.

Läkare använder för närvarande en kombination av kliniska, radiologiska och patologiska metoder för att diagnostisera en patients IBD-subtyp och vägleda behandlingsbeslut, men dessa metoder upptäcker symtom, snarare än den underliggande sjukdomskällan, och processen har saknat en objektiv guldmyntfot. Som ett resultat, upp till 15 procent av patienterna diagnostiseras med obestämd kolit, vilket betyder att undertypen är okänd, och ytterligare 5 till 14 procent har sin IBD omklassificerad baserat på hur de svarar på behandlingen.

Tidigare forskning utförd i vävnadsprover från personer med IBD visade att UC och Crohns sjukdom har olika molekylära signaturer. Den nya sonden upptäcker dessa signaturer för att samla information om inte bara sjukdomssubtyp, men också den nuvarande graden av inflammation och till och med tidiga indikatorer på IBD som inträffar före observerbara förändringar i tarmvävnaden.

"De flesta människor går igenom baslinjekoloskopi som en del av rutinvård, och du kan tänka dig att använda detta för att få en baslinje Raman-signal för varje person, ", sa Mahadevan-Jansen. "Om någon får IBD-symtom senare, du kan använda vårt system igen för att avgöra om det är mer sannolikt att det är UC eller Crohns. Sedan när de väl behandlas, du har ett objektivt mått för att spåra deras svar eftersom du kan använda enheten för att faktiskt kvantifiera milda, måttlig eller svår inflammation."

Skapa en klinikförberedd enhet

För att utveckla sonden, forskarna använde först vävnadsprover och djurmodeller för att identifiera preliminära biomarkörer och spektrala signaturer som överensstämmer med IBD. De specialbyggde sedan ett bärbart Raman-spektroskopisystem med en 785 nm diodlaser och fiberoptisk sond som levererar 80 mW till ytan av tjocktarmen.

"Anpassningen var både förpackningen - för att se till att den lätt kan passa in i endoskopikanalen och böja sig genom tjocktarmens varv - och att sondera rätt djup i vävnaderna vi tittar på för att se till att vi kan få en robust mätning , " förklarade Mahadevan-Jansen.

Raman-spektroskopi har tidigare använts i mag-tarmkanalen för att upptäcka cancer, men att använda den för att mäta markörer för inflammation innebär några unika utmaningar eftersom signalerna är mycket mer subtila. Detta krävde speciell ingenjörskonst, till exempel, att inkludera filter som eliminerar Raman-signaturen som produceras av komponenterna i själva sonden.

I deras pilottest, forskarna använde enheten på 15 patienter med en befintlig diagnos av Crohns sjukdom, åtta patienter med UC och åtta friska frivilliga. I allmänhet, resultaten tyder på hög sensitivitet (förmågan att upptäcka IBD) men dålig specificitet (förmågan att skilja mellan subtyper), men resultaten varierar beroende på graden av inflammation och var mätningen gjordes. När man mäter höger kolon hos patienter med aktiv inflammation, till exempel, enheten upptäckte Crohns sjukdom med en känslighet på 90 procent och en specificitet på 75, jämfört med 86 procent och 39 procent, respektive, när resultaten är medelvärde för alla sjukdomstillstånd, inflammationsnivåer och platser i tjocktarmen.

Blickar framåt

Forskarna fokuserar nu på att förfina en uppsättning algoritmer som hjälper läkare att tolka testresultat för en given patient. För att förbättra testets specificitet, teamet analyserar data från en utökad kohort av patienter för att urskilja hur faktorer som kön, diet, demografi och behandlingsregimen påverkar Raman-signaturen. I sista hand, de föreställer sig ett system som kombinerar nyckelinformation om patienten med Raman-spektra för att leverera, inom några sekunder, skräddarsydda resultat som kan informera om en diagnos eller hjälpa till att spåra en patients svar på behandlingen.

"Det är ett unikt sätt att tänka på personlig medicin som tar hänsyn till all slags information - bortom bara genomet - inklusive demografi och många andra faktorer som gör en person unik, ", sa Mahadevan-Jansen. "Vårt labb har verkligen drivit på för att hitta sätt att tillämpa optisk teknologi för att stödja denna typ av personlig medicin."

Forskarna driver också studier i djurmodeller för att ytterligare förstå källorna till olika molekylära signaler, identifiera de typer av förändringar som kan förväntas som ett resultat av behandlingen och avgöra om enheten kan användas för att upptäcka IBD eller riskfaktorer i ännu tidigare skeden.