Høyhastighets videomikroskopianalyse for førstelinjediagnose av primær ciliary dyskinesi
Summary
Høyhastighets videomikroskopianalyse er en relativt enkel å utføre, rask, kostnadseffektiv, og i erfarne hender et betydelig pålitelig verktøy for førstelinjediagnostikk av primær ciliary dyskinesi, som skal være tilgjengelig i alle sentre som er involvert i diagnostikk og behandling av alvorlige lungesykdommer.
Abstract
Primær ciliary dyskinesi (PCD) er en medfødt lidelse overveiende arvet i et autosomalt resessivt trekk. Lidelsen forårsaker forstyrrelser i bevegelsen av cilia, noe som fører til alvorlig svekkelse av mucociliary clearance (MCC). Hvis udiagnostisert eller diagnostisert for sent, fører tilstanden til utvikling av bronkiektase og alvorlig skade på lungene i senere liv. De fleste metodene for å diagnostisere PCD er tidkrevende og krever omfattende økonomiske ressurser for å etablere dem. Høyhastighets videomikroskopianalyse (HSVMA) er det eneste diagnostiske verktøyet for å visualisere og analysere levende luftveisceller med å slå cilia in vitro. Det er raskt, kostnadseffektivt, og i erfarne hender, veldig pålitelig som et diagnostisk verktøy for PCD. I tillegg er klassiske diagnostiske tiltak som transmisjonselektronmikroskopi (TEM) ikke anvendelige for noen mutasjoner, da morfologiske endringer er fraværende.
Dette dokumentet beskriver prosessen med å samle respiratoriske epitelceller, videre forberedelse av prøven og prosessen med HSVMA. Vi beskriver også hvordan børstede celler med hell kan holdes uskadd og slå ved å holde dem i et nærende medium for lagring og transport til undersøkelsesstedet i tilfeller der en klinikk ikke har utstyr til å utføre HSVMA. Også vist er videoer med patologiske slagmønstre fra pasienter med en mutasjon i dynein arm tungt kjede 11 gen (DNAH11), som ikke kan diagnostiseres med TEM; resultatet av en inkonklusiv HSVMA på grunn av infeksjon i de øvre luftveiene, samt en mislykket børsting med overliggende røde blodlegemer. Med denne artikkelen vil vi oppfordre alle enheter som arbeider med lungepasienter og sjeldne lungesykdommer til å utføre HSVMA som en del av deres daglige rutinemessige diagnostikk for PCD eller sende prøvene over til et senter som spesialiserer seg på å utføre HSVMA.
Introduction
Primær ciliary dyskinesi (PCD) er en sjelden, arvelig genetisk lidelse, noe som forårsaker forstyrrelser i bevegelsen av å slå cilia. Hvis udiagnostisert, fører det til alvorlig lungeskade senere i livet på grunn av alvorlig svekkelse av MCC. Tidligere har utbredelsen blitt anslått å være i området 1:4,000 til 50,000. På grunn av stadig forbedring av diagnostikk og en økende bevissthet om tilstanden, tyder oppdateringer på utbredelsen av PCD på at det kan være mye mer vanlig og sannsynligvis i området 1:4,000 til 20,000 i stedet 1,2. Imidlertid er pasienter med PCD fortsatt underdiagnostisert eller diagnostisert for sent 1,3. Derfor bør spedbarn med enten medfødt situs inversus og / eller heterotaxy eller perinatal rhinorrhea, neonatal respiratorisk nød, en blokkert nese og fôringsvansker være mistenkte for PCD. I senere liv er kronisk otitis, tilbakevendende lungebetennelse, rhinosinusitt og en kronisk, typisk våt hoste på grunn av nedsatt MCC kjennetegnsymptomene til PCD, som i kombinasjon med bronkiektase og nedsatt lungefunksjon fortsetter inn i voksen alder2.
Pasienter som mistenkes for å ha PCD kan diagnostiseres ved hjelp av ulike diagnostiske verktøy. TEM har tidligere vært ansett som gullstandarden for førstelinjediagnostikk. Opptil 30% av PCD-tilfeller viser imidlertid ikke unormal ultrastruktur 1,3,4,5,6, og krever en annen diagnostisk tilnærming. Derfor antyder et økende antall sentre og retningslinjene til European Respiratory Society (ERS) en kombinasjon av nese nitrogenoksid (nNO) og HSVMA som førstelinjediagnostikk 1,7,9,10. HSVMA og nNO er også de mest kostnadseffektive alternativene for å identifisere en pasient med PCD11. Men selv om genetisk testing var inkludert i diagnostikken, må det huskes at det for øyeblikket ikke er noen frittstående test eller kombinasjon av tester som kan utelukke PCD med 100% sikkerhet 8,9,10.
Av de tilgjengelige diagnostiske alternativene er HSVMA den eneste testen som fokuserer på levende, cilia-belagte luftveisceller og evaluerer ciliary beat mønster (CBP) og ciliary beat frequency (CBF). I motsetning til TEM er resultatene av HSVMA tilgjengelige raskt, vanligvis på testdagen, mens resultatene av TEM kan komme måneder etter at prøven er tatt. HSVMA kan søkes for alle aldersgrupper, mens nNO krever høy grad av etterlevelse; forsøk på å bruke den under 5 år er vanligvis mislykket10. I erfarne hender har HSVMA utmerket følsomhet og spesifisitet for å diagnostisere PCD på henholdsvis 100% og 96%, henholdsvis12.
Dette dokumentet beskriver den trinnvise prosedyren for å utføre HSVMA, inkludert høsting av cilia-belagte respiratoriske celler fra nesens dårligere turbinat, bevaring av høstede celler i et celle-nærende medium for transport til undersøkelsesstedet, og prosessen med mikroskopisk videoanalyse for å bestemme CBF og CBP. I tillegg vises noen videoklipp fra pasienter, og sammenligner normale CBPer og CBFer med unormal cilia-funksjon (Video 3, Video 4, Video 5, Video 6, Video 7 og Video 8).
Protocol
Representative Results
Discussion
Her beskrives og diskuteres diagnostisk prosess for PCD ved hjelp av HSVMA i lys av førstelinjediagnostikk. Til tross for at det er relativt enkelt å etablere, kostnadseffektiv11 og en pålitelig metode i erfarne hender12, er HSVMA ikke et diagnostisk tiltak uten fallgruver. Unormal CBF og CBP kan skyldes sekundær infeksjon, noe som fører til betennelse i bronko-respiratorisk epithelia15, og av samme grunn kan røyking individer ha unormale beatf…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi ønsker å uttrykke spesiell takk til barnesykepleier mrs. Johanna Juvankoski for hennes utmerkede hjelp med børstingene. Vi vil også uttrykke spesiell takknemlighet til professor Heymut Omran (Universitetsklinikken Münster, UKM) for å gi tillatelse til å bruke den skjematiske figuren av normal ciliary bevegelse fra deres hjemmeside. Til slutt vil vi takke Mr. Alan Brown BA (Hons), PGCE, for korrekturlesing 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).
