Höghastighetsvideomikroskopianalys för förstahandsdiagnos av primär ciliär dyskinesi
Summary
Höghastighetsvideomikroskopianalys är en relativt lätt att utföra, snabb, kostnadseffektiv och, i erfarna händer, ett betydligt tillförlitligt verktyg för första linjens diagnostik av primär ciliär dyskinesi, som bör finnas tillgänglig i alla centrum som är involverade i diagnostik och behandling av allvarliga lungsjukdomar.
Abstract
Primär ciliär dyskinesi (PCD) är en medfödd sjukdom som huvudsakligen ärvs i ett autosomalt recessivt drag. Störningen orsakar störningar i cilias rörelse, vilket leder till allvarlig försämring av mukociliär clearance (MCC). Om odiagnostiserad eller diagnostiserad för sent leder tillståndet till utveckling av bronkiektas och allvarlig skada på lungorna senare i livet. De flesta av metoderna för att diagnostisera PCD är tidskrävande och kräver omfattande ekonomiska resurser för att etablera dem. Höghastighetsvideomikroskopianalys (HSVMA) är det enda diagnostiska verktyget för att visualisera och analysera levande andningsceller med att slå cilia in vitro. Det är snabbt, kostnadseffektivt och, i erfarna händer, mycket pålitligt som ett diagnostiskt verktyg för PCD. Dessutom är klassiska diagnostiska åtgärder som transmissionselektronmikroskopi (TEM) inte tillämpliga för vissa mutationer eftersom morfologiska förändringar saknas.
Detta dokument beskriver processen att samla respiratoriska epitelceller, den fortsatta beredningen av provet och processen med HSVMA. Vi beskriver också hur borstade celler framgångsrikt kan hållas oskadda och slå genom att hålla dem i ett närande medium för lagring och transport till undersökningsstället i de fall en klinik inte har utrustning för att utföra HSVMA. Också visade är videor med patologiska slagmönster från patienter med en mutation i dyneinarmen tung kedja 11-genen (DNAH11), som inte kan diagnostiseras med TEM; resultatet av en ofullständig HSVMA på grund av infektion i de övre luftvägarna, liksom en misslyckad borstning med överlagring av röda blodkroppar. Med den här artikeln vill vi uppmuntra varje enhet som hanterar pulmonologipatienter och sällsynta lungsjukdomar att utföra HSVMA som en del av sin dagliga rutindiagnostik för PCD eller skicka proverna till ett centrum som specialiserat sig på att utföra HSVMA.
Introduction
Primär ciliär dyskinesi (PCD) är en sällsynt, ärftlig genetisk störning som orsakar störningar i rörelsen att slå cilia. Om det inte diagnostiseras leder det till allvarliga lungskador senare i livet på grund av allvarlig försämring av MCC. Tidigare har dess prevalens uppskattats ligga i intervallet 1: 4 000 till 50 000. På grund av stadigt förbättrad diagnostik och en växande medvetenhet om tillståndet tyder uppdateringar om förekomsten av PCD på att det kan vara mycket vanligare och förmodligen i intervallet 1: 4 000 till 20 000 istället 1,2. Patienter med PCD är dock fortfarande underdiagnostiserade eller diagnostiserade för sent 1,3. Därför bör spädbarn med antingen medfödd situs inversus och/eller heterotaxi eller perinatal rinorré, neonatal andningsbesvär, en blockerad näsa och matningssvårigheter misstänkas för PCD. Senare i livet är kronisk otit, återkommande lunginflammation, rhinosinusit och en kronisk, typisk våt hosta på grund av nedsatt MCC kännetecknet för PCD, som i kombination med bronkiektas och nedsatt lungfunktion fortsätter till vuxen ålder2.
Patienter som misstänks ha PCD kan diagnostiseras med hjälp av olika diagnostiska verktyg. TEM har tidigare ansetts vara guldstandarden för förstahandsdiagnostik. Upp till 30% av PCD-fallen visar emellertid inte onormal ultrastruktur 1,3,4,5,6, vilket kräver en annan diagnostisk metod. Därför föreslår ett växande antal centra och riktlinjerna från European Respiratory Society (ERS) en kombination av nasal kväveoxid (nNO) och HSVMA som första linjens diagnostik 1,7,9,10. HSVMA och nNO är också de mest kostnadseffektiva alternativen för att identifiera en patient med PCD11. Även om genetisk testning ingick i diagnostiken måste man dock komma ihåg att det för närvarande inte finns något fristående test eller kombination av tester som kan utesluta PCD med 100% säkerhet 8,9,10.
Av de tillgängliga diagnostiska alternativen är HSVMA det enda testet som fokuserar på levande, ciliabelagda andningsceller och utvärderar ciliary beat pattern (CBP) och ciliary beat frequency (CBF). Till skillnad från TEM är resultaten av HSVMA tillgängliga snabbt, vanligtvis på testdagen, medan resultaten av TEM kan komma månader efter att provet har tagits. HSVMA kan tillämpas för alla åldersgrupper, medan nNO kräver en hög grad av efterlevnad. försök att använda den under 5 år är vanligtvis misslyckade10. I erfarna händer har HSVMA utmärkt känslighet och specificitet för att diagnostisera PCD vid 100% respektive 96%12.
Detta dokument beskriver steg-för-steg-proceduren för att utföra HSVMA, inklusive skörd av ciliabelagda andningsceller från näsans underlägsna turbinat, bevarande av skördade celler i ett cellnärande medium för transport till undersökningsplatsen och processen för mikroskopisk videoanalys för att bestämma CBF och CBP. Dessutom visas några videoklipp från patienter som jämför normala CBP och CBF med onormal ciliafunktion (Video 3, Video 4, Video 5, Video 6, Video 7 och Video 8).
Protocol
Representative Results
Discussion
Här beskrivs och diskuteras diagnosprocessen för PCD med HSVMA i ljuset av första linjens diagnostik. Trots att det är relativt enkelt att etablera,kostnadseffektivt 11 och en pålitlig metod i erfarna händer12, är HSVMA inte en diagnostisk åtgärd utan fallgropar. Onormal CBF och CBP kan bero på sekundär infektion, vilket leder till inflammation i bronko-respiratorisk epitel15, och av samma anledning kan rökande individer ha onormala slagf…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill särskilt tacka barnsjuksköterskan Johanna Juvankoski för hennes utmärkta hjälp med borstningarna. Vi vill också uttrycka ett särskilt tack till professor Heymut Omran (University Clinic Münster, UKM) för att ha beviljat tillstånd att använda den schematiska figuren av normal ciliär rörelse från deras hemsida. Slutligen vill vi tacka Alan Brown BA (Hons), PGCE, för korrekturläsningen av manuskriptet.
Materials
| Amoxiciline-clavulanic acid | Orion Oyj | 40 mg/kg divided in 2 doses/day, for adults 875/125 mg 1 tablet x2/day | |
| Camera Software | Hamamatsu | HCI Image | |
| Cold pack | any | for preservation and transport | |
| Differential interference microscope | Carl Zeiss | Inverted, cell observer microscope | |
| Digitial High Speed Video Camera | Hamamatsu | Orca Flash 4.0, digital camera type C11440 | |
| Dulbecco´s Modified Eagle Medium | Thermo Fisher | 10565018 | basal cell culture medium |
| Eppendorf tube | Eppendorf | 30120086 | 1.5 mL tube |
| Glass-bottom microwell dish | MatTek | P35G-1.5-14-C | cuvette for microscopy |
| Heating Unit | Carl Zeiss/PeCon | 810-450001 | Carl Zeiss incubation elements with PeCon TempModule S1 temperature control |
| Interdental brush 0.6 mm | Doft | 872267 | Interdental brush on a long wire with a reusable handle and cap in zipbag |
| Objective | Carl Zeiss | 100x/1.46, α Plan-Apochromat DIC objective | |
| Small polystyrene box with lid | any | for transport |
References
- Werner, C., Onnebrink, J. G., Omran, H. Diagnosis and management of primary ciliary dyskinesia. Cilia. 4 (1), 2 (2015).
- Mirra, V., Werner, C., Santamaria, F. Primary ciliary dyskinesia: An update on clinical aspects, genetics, diagnosis and future treatment strategies. Frontiers in Pediatrics. 5, 135 (2017).
- Schultz, R., Elenius, V., Lukkarinen, H., Saarela, T. Two novel mutations in the DNAH11 gene in primary ciliary dyskinesia (CILD7) with considerable variety in the clinical and beating cilia phenotype. BMC Medical Genetics. 21 (1), 237 (2020).
- Knowles, M. R., et al. Mutations of DNAH11 in patients with primary ciliary dyskinesia with normal ciliary ultrastructure. Thorax. 67 (5), 433-441 (2012).
- Boon, M., et al. Primary ciliary dyskinesia: critical evaluation of clinical symptoms and diagnosis in patients with normal and abnormal ultrastructure. Orphanet Journal of Rare Diseases. 9, 11 (2014).
- Kouis, P., et al. Prevalence of primary ciliary dyskinesia in consecutive referrals of suspected cases and the transmission electron microscopy detection rate: a systematic review and meta-analysis. Pediatric Research. 81 (3), 398-405 (2017).
- Marthin, J. K., Nielsen, K. G. Choice of nasal nitric oxide technique as first-line test for primary ciliary dyskinesia. European Respiratory Journal. 37 (3), 559-565 (2011).
- Jackson, C. L., Behan, L., Collins, S. A. Accuracy of diagnostic testing in primary ciliary dyskinesia. European Respiratory Journal. 47 (3), 837-848 (2016).
- Lucas, J. S., et al. European Respiratory Society guidelines for the diagnosis of primary ciliary dyskinesia. European Respiratory Journal. 49 (1), 1601090 (2017).
- Shoemark, A., Dell, S., Shapiro, A., Lucas, J. S. ERS and ATS diagnostic guidelines for primary ciliary dyskinesia: similarities and differences in approach to diagnosis. European Respiratory Journal. 54 (3), 1901066 (2019).
- Kouis, P. Cost-effectiveness analysis of three algorithms for diagnosing primary ciliary dyskinesia: a simulation study. Orphanet Journal of Rare Diseases. 14 (1), 142 (2019).
- Rubbo, B., et al. Accuracy of high-speed video analysis to diagnose primary ciliary dyskinesia. Chest. 155 (5), 1008-1017 (2019).
- Friedman, N. R., Pachigolla, R., Deskin, R. W., Hawkins, H. K. Optimal technique to diagnose primary ciliary dyskinesia. The Laryngoscope. 110 (9), 1548-1551 (2000).
- Chilvers, M. A., Rutman, A., O´Callaghan, C. Functional analysis of cilia and ciliated epithelial ultrastructure in healthy children and young adults. Thorax. 58 (4), 333-338 (2003).
- Lucas, J. S., Paff, T., Goggin, P., Haarman, E. Diagnostic methods in primary ciliary dyskinesia. Paediatric Respiratory Reviews. 18, 8-17 (2016).
- Ballenger, J. J. Experimental effect of cigarette smoke on human respiratory cilia. New England Journal of Medicine. 263, 832-835 (1960).
- Stanley, P. J., Wilson, R., Greenstone, M. A., Mac William, L., Cole, P. J. Effect of cigarette smoking on nasal mucociliary clearance and ciliary beat frequency. Thorax. 41 (7), 519-523 (1986).
- Kobbernagel, H. E., et al. Efficacy and safety of azithromycin maintenance therapy in primary cilia dyskinesia (BESTCILIA): a multicentre, double-blind, randomised, placebo-controlled phase 3 trial. Lancet Respiratory Medicine. 8 (5), 493-505 (2020).
- Takeyama, K., Tamaoki, J., Chiyotani, A., Tagaya, E., Konno, K. Effect of macrolide antibiotics on ciliary motility in rabbit airway epithelium in-vitro. Journal of Pharmacy and Pharmacology. 45 (8), 756-758 (1993).
- Toskala, E., Haataja, J., Shirasaki, H., Rautliainen, M. Culture of cells harvested with nasal brushing: a method for evaluating ciliary function. Rhinology. 43 (2), 121-124 (2005).
- Pifferi, M., et al. Simplified cell culture method for the diagnosis of atypical primary ciliary dyskinesia. Thorax. 64 (12), 1077-1081 (2009).
- Hirst, R. A., et al. Culture of primary ciliary dyskinesia epithelial cells at air liquid interface can alter ciliary phenotype but remains a robust and informative, diagnostic aid. PLoS One. 9 (2), 89675 (2014).
- Papon, J. F., et al. Quantitative analysis of ciliary beating in primary ciliary dyskinesia: a pilot study. Orphanet Journal of Rare Diseases. 7 (10), 78 (2012).
- Smith, C. M., et al. Cilia FA: a research tool for automated, high-throughput measurement of ciliary beat frequency using freely available software. Cilia. 1 (8), 14 (2012).
- Sampaio, P., et al. Ciliar Move: new software for evaluating ciliary beat frequency helps find novel mutations by a Portuguese multidisciplinary team on primary ciliary dyskinesia. European Respiratory Journal Open Research. 7 (1), 00792 (2021).
- Mullowney, T., et al. Primary ciliary dyskinesia and neonatal respiratory distress. Pediatrics. 134 (6), 1160-1166 (2014).
- Leigh, M. W., et al. Standardizing nasal nitric oxide measurement as a test for primary ciliary dyskinesia. Annals of the American Thoracic Society. 10 (6), 574-581 (2013).
