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michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie Institut für Klinische Chemie
Next Generation Preanalytics: biomolecular
quality and IT approaches
Prof. Dr. Michael Neumaier, MD PhD
Institute for Clinical Chemistry
Medical Faculty Mannheim of Heidelberg University
Mannheim
Germany
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Preanalytics, since when a problem ?
„Harnbeschauer aus dem „Augsburger Arzneybüchlein“ (Xylograph from 1502)
from: M. Neumaier, 100 Jahre Klinische Chemie und Naturwissenschaften Mannheim, Selbstverlag (2010)
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
a problem now !
from: M. Neumaier, 100 Jahre Klinische Chemie und Naturwissenschaften Mannheim, Selbstverlag (2010)
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Phases of testing in the medical laboratory
Guder WG et al., Samples: From the Patient to the Laboratory, GIT Publisher (1996)
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Blood sample quality, but ...
Lippi G et al., Diagnosis (2018)
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Health
from equilibrium to „ex-vivo/in-vitro“ stability
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Health Disease
from equilibrium to „ex-vivo/in-vitro“ stability
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Health Disease specimen
from equilibrium to „ex-vivo/in-vitro“ stability
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
preanalytical stability of medical Biomarkers
Guder WG et al. Die Qualität diagnostischer Proben, Recommendations of DGKL, 2005
WHO/DIL/LAB/991 Rev2 2002
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
WHO/DIL/LAB/991 Rev2 2002
preanalytical stability of medical Biomarkers
Guder WG et al. Die Qualität diagnostischer Proben, Recommendations of DGKL, 2005
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Green RE et al., Science (2010)
The stability of DNA allows for whole genome
analysis from Neandertal bones (40,000 years old)
by NGS with error rates of 0.3 - 5.9%.
Zimmer JS et al., J. Lipid. Res., (2004)
Instability of leucotrienes (40 sec.
in PBS at 4°C); „improved“ to up to 18 min. by FABP proteins in serum.
Range of biomarker stability in biospecimens
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
the „Elephant-in-the-room“: preanalytics of biomolecular quality
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Clinical relevance of molecular decay in clinical specimens
bio
ma
rke
r co
nce
ntr
atio
n
usually unknown
cut-off
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
usually unknown
bio
ma
rke
r co
nce
ntr
atio
n
Clinical relevance of molecular decay in clinical specimens
cut-off
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
usually unknown
bio
ma
rke
r co
nce
ntr
atio
n
Clinical relevance of molecular decay in clinical specimens
cut-off
2 Variables • sample age • decay
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
the Y-axis: (Reference „BMB Mk I“ und „BMB Mk II“)
• Blood draw (Serum / Li-Hep-Plasma / EDTA)
– healthy donors (hospital staff through hospital staff physician); (n=128)
– Patients (inflammation, tumour, diabetes); (n=92)
• centrifugation (Mk I)
– Aging the supernatant 1h, 2h, 4h, 8h, 24h at ambient temperature
• no centrifugation (Mk II)
– Aging the whole blood 1h, 2h, 4h, 8h, 24h at ambient temperature
• aliquoting and archiving -20°C, -80°C, liqN2 (stop watch)
• thaw and measure on routine lab equipment
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Single parameter analyses (1)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 2 4 6 8
LA
Lact
ate
[mm
ol/
l]
Time [h]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 2 4 6 8
TP
Tota
l Pro
eti
n [g
l/l]
Time [h]
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
1 2 4 6 8
TBIL
Tota
l Bili
rub
in [m
gl/d
l]
Time [h]
0
2
4
6
8
10
12
1 2 4 6 8
CRP
C-r
eac
tive
Pro
tein
[mgl
/l]
Time [h]
Health Disease
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RefBMB Mk1 parameters: [Urea]
100.0% Maximum 3,665
99.5% 3,645
97.5% 3,122
90.0% 2,232
75.0% Quartil 1,800
50.0% Median 1,385
25.0% Quartil 1,095
10.0% 0,801
2.5% 0,375
0.5% 0,082
0.0% Minimum 0,000
VISTA imprecision limit: 5%
source Log-weight P-value
Cohort (H/D) 1,949 0,01125 storage temp. 0,829 0,14825
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
2h
4h
8h
24h
Urea Deviation [+/- %]
RefBMB Mk1/Mk2 parameters: [Urea]
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Urea Lactate Homocysteine
RefBMB Mk1/Mk2 parameters: individual changes/stability over time
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Stabilities of biomarker from RefBMB and acc. to Guder
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
HOMOCYSTEINE Serum Ageing LACTATE Serum Ageing
FOLATE Serum Ageing PHOSPHATE Serum Ageing
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Factors influencing biomarker stabilities (storage temp., cohort)
Classification: [very unstable (
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Profiling using endogenous Decay-Marker
Degradation of exogenous Decay-Marker
Quantitative Determination of biomolecular Quality in biospecimens
Addition of exogenous Decay Marker
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RRRRRRR-Ahx-rrrrrrr (RPint)
RRRR-Ahx-rrrrrrr (RP-4; 741 m/z)
Ahx-rrrrrrr (AP; 494 m/z)
2h
24h
4h
8h
exogenous Decay Markers for Protein Quality (Example 2: Quantification using LC-MS/MS)
mod. acc: Findeisen P. et al., Am J Clin Path (2013)
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
preanalytical assessment of biospecimen quality using exogenous decay marker
Findeisen P et al., Am J Clin Pathol (2013)
Seru
m
Pla
sma
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80% classification of sample age by MALDI-TOF
high intermediate low
Fibrinogen a • 1466 [m/z] • 1351 • 1264 • 1207 • 1120 • 905 Complement C4 • 1923 • 1811 • 1723 • 1609 • 1592 • 1482 • 1257 • 1101 • 988 (anchor) Procalcitonin • 1115 • 1002 (anchor)
Serum (n=133) Plasma (n=62)
01h
04h
08h
24h
end.
Compl. C4 PCT
exog.
Compl. C4 PCT
exog.
FGa
e
FGa
Findeisen P et al., CCLM (2018)
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Precision of Assessment of Biosample Age (% error in measurement of protein decay by exogenous decay markers)
-100
-50
0
50
100
150
200
0 2 4 6 8 10 Time elapsed [h], verum
Bland-Altman-Plot Exogen
Erro
r [%
]
exogenous
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usually unknown
bio
ma
rke
r co
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atio
n
the X-axis (LabCoder)
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LabCoder system
• arm-fixed (both hands-free) LabCoder device (Android; Linux)
• identifies patient (wrist band)
• downloads working list for blood draws from LabCoderAdmin middleware
• assigns tube (UID code; matrix code) according to lab order
• joins patient-ID and tube-ID
• measures fill-level for citrate specimens
• uploads order data to LIS
• middleware customizable to wards´ requirements
• other apps for patient-near services (BP, HR, °C etc.)
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LabCoder (evolution)
1st design 1st prototype demonstrator
2nd design 3rd design
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LabCoder 3rd Design (CAD, 3D Print)
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www.stef-fauser.de (Klackband „Klackinger“ -16€)
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LabCoder.App for Android
Test order patient data
ward, rm material quality
code order fill-level
Editing of order
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2nd prototype
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LabCoder.App for Android (summary)
choose App Labcoder
Clinical
BP /HR (Bluetooth) temperature (Bluetooth) blood sugar
Patient-near services
patient´s appointments Diet/Menu
Commodities
UMM-Navigation
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LabCoder IT-surroundings
LIS
LabCoder ADMIN
KIS
LabCoder Ward´s-PC
patient blood draw
ord
ers
Re
sults
do
wn
load
up
load
Laboratory analyzers
DotMatrix ggfs. Rückcodierung
Laboratory
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
LabCoderADMIN webserver middleware
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
LabCoderADMIN webserver middleware
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usually unknown
bio
ma
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r co
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ntr
atio
n
exact time and slope of decay may allow „retrograde extrapolation“ of test results
cut-off
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the Future of Lab Med and the perspectives of Preanalytics
• combining technical PRE with biological PRE
– potential collaboration with biobanking societies
• develop reliable decay characteristics
– time, temperature, health status etc.
• develop reliable procedures
– time stamps
• develop means to assess biological activity in specimens as
surrogate for deterioration (decay markers)
...., but finally ....
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
the end of the problem? (USS Enterprise, Starfleet AD 2378)
from: Startrek the film, 10 - Nemesis
michael.neumaier@medma.uni-heidelberg.de Institut für Klinische Chemie
Thank you for your kind Attention!
michael.neumaier@umm.de
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