Op papier gebaseerde sensor biedt snelle hartdiagnostiek in 15 minuten

Als belangrijke stap voorwaarts op het gebied van medische diagnostiek op de zorglocatie heeft een team van onderzoekers van UCLA een op papier gebaseerde verticale flowtest (VFA) geïntroduceerd, die met diepgaand leren is verbeterd en waarmee cardiaal troponine I (cTnI) met hoge gevoeligheid kan worden gedetecteerd. De innovatieve test heeft het potentieel om de toegang tot snelle en betrouwbare hartdiagnostiek te democratiseren, vooral in omgevingen met beperkte middelen.

Hart- en vaatziekten (HVZ) blijven wereldwijd de belangrijkste doodsoorzaak, met jaarlijks ruim 19 miljoen dodelijke slachtoffers. Vroegtijdige detectie van een acuut myocardinfarct (AMI), algemeen bekend als een hartaanval, is essentieel voor het verbeteren van de patiëntresultaten en het terugdringen van de sterftecijfers. De hoge kosten en infrastructuurvereisten die gepaard gaan met traditionele laboratoriumgebaseerde diagnostische apparatuur beperken echter vaak de toegang tot hoogwaardige zorg, vooral in regio’s met lage en middeninkomens.

Om deze uitdaging aan te gaan, hebben UCLA-onderzoekers een hooggevoelige verticale flowtest (hs-VFA) ontwikkeld die de precisie van traditionele laboratoriumtests combineert met het gemak en de betaalbaarheid van point-of-care-technologieën. Hun bevindingen, gedetailleerd in een onlangs gepubliceerd artikel in ACS Nanotonen aan dat dit innovatieve platform cTnI-niveaus nauwkeurig kan kwantificeren in slechts 15 minuten met behulp van een klein serummonster, waardoor het ideaal is voor snelle diagnostiek in noodsituaties of op afgelegen locaties.

De kern van dit platform ligt in de integratie van deep learning-algoritmen met geavanceerde nanodeeltjesamplificatiechemie. Het hs-VFA-systeem maakt gebruik van time-lapse-beeldvorming en computationele analyse om de detectie van cTnI – een belangrijke biomarker voor hartschade – te verbeteren, waardoor een detectielimiet van slechts 0,2 picogram per milliliter (pg/ml) wordt bereikt. Dit gevoeligheidsniveau overtreft de huidige point-of-care-apparaten met een aanzienlijke marge en voldoet aan de klinische vereisten voor hooggevoelige troponinetests, die essentieel zijn voor de vroege diagnose van AMI.

“We zijn verheugd om deze goedkope, draagbare oplossing te introduceren die de kloof overbrugt tussen centrale laboratoriumdiagnostiek en point-of-care-testen”, zegt professor Aydogan Ozcan, de senior auteur van het onderzoek en de Volgenau-leerstoel voor technische innovatie aan de UCLA. . “Ons op papier gebaseerde platform, aangedreven door deep learning, biedt een effectief alternatief voor de omvangrijke, dure instrumenten die momenteel in ziekenhuizen worden gebruikt. Het houdt de belofte in om geavanceerde hartdiagnostiek naar achtergestelde bevolkingsgroepen wereldwijd te brengen.”

Het hs-VFA-systeem werkt in twee fasen: een initiële immunoassayfase gevolgd door een signaalversterkingsfase. In de immunoassayfase gebruikt de test gouden nanodeeltjesconjugaten om te binden aan cTnI in het serum. In de signaalversterkingsfase worden goudionen gekatalyseerd door nanodeeltjes, wat resulteert in een kleurverandering die wordt opgevangen door een op maat ontworpen, draagbare lezer. Deep learning-algoritmen analyseren vervolgens deze time-lapse-beelden om de gevoeligheid en nauwkeurigheid van cTnI-detectie te verbeteren.

Bij rigoureuze tests met zowel verrijkte als klinische serummonsters bleek de hs-VFA hoge precisie met een variatiecoëfficiënt (CV) van minder dan 7%. Het vertoonde ook een sterke correlatie met laboratoriumanalysatoren die aan de gouden standaard voldoen. Belangrijk is dat de hs-VFA ook een uitgebreid dynamisch bereik vertoonde, dat cTnI-concentraties bestrijkt van 0,2 pg/ml tot 100 nanogram per milliliter (ng/ml). Dit bereik maakt het niet alleen geschikt voor het diagnosticeren van hartaanvallen, maar ook voor het monitoren van risicopatiënten in de loop van de tijd.

De kosteneffectiviteit van dit platform is een ander belangrijk hoogtepunt. De op papier gebaseerde test kost minder dan $ 4 per test, terwijl de draagbare lezer, ontworpen met behulp van een Raspberry Pi-computer en kant-en-klare componenten, ongeveer $ 170 per stuk kost. Deze betaalbaarheid is cruciaal voor het uitbreiden van de toegang tot hoogwaardige diagnostiek in omgevingen met weinig middelen, waar traditionele laboratoriuminfrastructuur mogelijk niet beschikbaar is.

“Ons doel was om een ​​systeem te ontwerpen dat niet alleen in ziekenhuizen kon worden gebruikt, maar ook in klinieken, apotheken en zelfs in ambulances”, zegt Dr. Gyeo-Re Han, de eerste auteur van het onderzoek en een postdoctoraal onderzoeker aan de UCLA. “Het vermogen om snel troponineniveaus in verschillende omgevingen te detecteren en te kwantificeren zou een snellere, effectievere behandeling van patiënten met een hartaanval mogelijk kunnen maken, vooral tijdens de kritieke preklinische zorgfase.”

Naast hartdiagnostiek zijn de onderzoekers van mening dat het hs-VFA-platform kan worden aangepast voor andere kritische biomarkers met een lage overvloed, waardoor de potentiële toepassingen ervan kunnen worden uitgebreid naar verschillende gebieden van de medische diagnostiek. De draagbaarheid, eenvoud en betaalbaarheid van het platform positioneren het als een levensvatbaar alternatief voor gecentraliseerde laboratoriumtests voor veel aandoeningen, wat hoop biedt op betere gezondheidsresultaten op wereldschaal.

Dit werk werd mogelijk gemaakt door een samenwerking tussen de UCLA Departments of Electrical & Computer Engineering (Ozcan Lab), Bioengineering (Di Carlo Lab) en het California NanoSystems Institute (CNSI).