Next Generation Preanalytics: biomolecular quality and IT...

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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)

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    Phases of testing in the medical laboratory

    Guder WG et al., Samples: From the Patient to the Laboratory, GIT Publisher (1996)

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    Blood sample quality, but ...

    Lippi G et al., Diagnosis (2018)

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    Health

    from equilibrium to „ex-vivo/in-vitro“ stability

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    Health Disease

    from equilibrium to „ex-vivo/in-vitro“ stability

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    Health Disease specimen

    from equilibrium to „ex-vivo/in-vitro“ stability

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    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

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    the „Elephant-in-the-room“: preanalytics of biomolecular quality

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    Clinical relevance of molecular decay in clinical specimens

    bio

    ma

    rke

    r co

    nce

    ntr

    atio

    n

    usually unknown

    cut-off

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    usually unknown

    bio

    ma

    rke

    r co

    nce

    ntr

    atio

    n

    Clinical relevance of molecular decay in clinical specimens

    cut-off

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    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

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    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

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    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

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    HOMOCYSTEINE Serum Ageing LACTATE Serum Ageing

    FOLATE Serum Ageing PHOSPHATE Serum Ageing

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    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)

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    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

    nce

    ntr

    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

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    LabCoderADMIN webserver middleware

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    LabCoderADMIN webserver middleware

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    usually unknown

    bio

    ma

    rke

    r co

    nce

    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 ....

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    the end of the problem? (USS Enterprise, Starfleet AD 2378)

    from: Startrek the film, 10 - Nemesis

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    Thank you for your kind Attention!

    michael.neumaier@umm.de