Der papierbasierte Sensor ermöglicht eine schnelle Herzdiagnose in 15 Minuten

In einem bedeutenden Fortschritt für die medizinische Point-of-Care-Diagnostik führte ein Forscherteam der UCLA einen Deep-Learning-gestützten papierbasierten Vertical-Flow-Test (VFA) ein, der kardiales Troponin I (cTnI) mit hoher Empfindlichkeit nachweisen kann. Dieser innovative Test hat das Potenzial, den Zugang zu schneller und zuverlässiger Herzdiagnostik zu demokratisieren, insbesondere in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) bleiben weltweit die häufigste Todesursache und verursachen mehr als 19 Millionen Todesfälle pro Jahr. Die Früherkennung eines akuten Myokardinfarkts (AMI), allgemein bekannt als Herzinfarkt, ist von entscheidender Bedeutung, um die Behandlungsergebnisse für die Patienten zu verbessern und die Sterblichkeitsrate zu senken. Allerdings schränken die hohen Kosten und Infrastrukturanforderungen, die mit herkömmlichen Labordiagnostikgeräten einhergehen, häufig den Zugang zu hochwertiger Pflege ein, insbesondere in Gegenden mit niedrigem und mittlerem Einkommen.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Forscher der UCLA einen hochempfindlichen Vertikalflusstest (hs-VFA) entwickelt, der die Genauigkeit herkömmlicher Labortests mit der Bequemlichkeit und Erschwinglichkeit von Point-of-Care-Technologien kombiniert. Ihre Ergebnisse werden in einem kürzlich in veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben ACS Nanozeigen, dass diese innovative Plattform anhand einer kleinen Serumprobe den cTnI-Spiegel in nur 15 Minuten genau quantifizieren kann, was sie ideal für die schnelle Diagnose in Notsituationen oder an abgelegenen Orten macht.

Der Kern dieser Plattform liegt in der Integration von Deep-Learning-Algorithmen mit modernster Nanopartikel-Verstärkungschemie. Das hs-VFA-System nutzt Zeitraffer-Bildgebung und Computeranalyse, um die Erkennung von cTnI, einem wichtigen Biomarker für Herzverletzungen, zu verbessern und eine Nachweisgrenze von nur 0,2 Pikogramm pro Milliliter (pg/ml) zu erreichen. Diese Sensitivität übertrifft bei weitem die der aktuellen Point-of-Care-Geräte und erfüllt die klinischen Anforderungen für hochempfindliche Troponintests, die für die Frühdiagnose von Herzinfarkten unerlässlich sind.

„Wir freuen uns, diese tragbare, kostengünstige Lösung vorstellen zu können, die die Lücke zwischen zentraler Labordiagnostik und Point-of-Care-Tests schließt“, sagte Professor Aydogan Ozcan, Hauptautor der Studie und Inhaber des Volgenau-Lehrstuhls für technische Innovation bei UCLA. . „Unsere papierbasierte Plattform, die auf Deep Learning basiert, bietet eine effiziente Alternative zu den sperrigen und teuren Instrumenten, die derzeit in Krankenhäusern verwendet werden. Es verspricht, unterversorgten Bevölkerungsgruppen auf der ganzen Welt fortschrittliche Herzdiagnostik zugänglich zu machen.

Das hs-VFA-System arbeitet in zwei Phasen: einer anfänglichen Immunoassay-Phase, gefolgt von einer Signalverstärkungsphase. In der Immunoassay-Phase verwendet der Test Gold-Nanopartikel-Konjugate, um an cTnI im Serum zu binden. In der Signalverstärkungsphase werden Goldionen durch Nanopartikel katalysiert, was zu einer Farbänderung führt, die von einem speziell entwickelten tragbaren Lesegerät erfasst wird. Anschließend analysieren Deep-Learning-Algorithmen diese Zeitrafferbilder, um die Empfindlichkeit und Genauigkeit der cTnI-Erkennung zu verbessern.

In strengen Tests mit aufgestockten und klinischen Serumproben zeigte hs-VFA eine hohe Genauigkeit mit einem Variationskoeffizienten (CV) von weniger als 7 %. Es zeigte auch eine starke Korrelation mit Referenzlaboranalysatoren. Wichtig ist, dass hs-VFA auch einen breiten dynamischen Bereich aufwies, der cTnI-Konzentrationen von 0,2 pg/ml bis 100 Nanogramm pro Milliliter (ng/ml) abdeckt. Dank dieser Reichweite eignet es sich nicht nur für die Diagnose von Herzinfarkten, sondern auch für die Langzeitüberwachung von Risikopatienten.

Die Rentabilität dieser Plattform ist ein weiterer Pluspunkt. Der Papiertest kostet weniger als 4 US-Dollar pro Test, während das tragbare Lesegerät, das aus einem Raspberry Pi-Computer und im Handel erhältlichen Komponenten besteht, etwa 170 US-Dollar pro Einheit kostet. Diese Erschwinglichkeit ist entscheidend für die Erweiterung des Zugangs zu hochwertiger Diagnostik in ressourcenarmen Umgebungen, in denen herkömmliche Laborinfrastruktur möglicherweise nicht verfügbar ist.

„Unser Ziel war es, ein System zu entwickeln, das nicht nur in Krankenhäusern, sondern auch in Kliniken, Apotheken und sogar in Krankenwagen eingesetzt werden kann“, sagte Dr. Gyeo-Re Han, Erstautor der Studie und Postdoktorand an der UCLA. „Die Fähigkeit, Troponinspiegel in verschiedenen Situationen schnell zu erkennen und zu quantifizieren, könnte eine schnellere und effektivere Behandlung von Herzinfarktpatienten ermöglichen, insbesondere während der kritischen präklinischen Phase der Versorgung.“

Über die Herzdiagnostik hinaus glauben Forscher, dass die hs-VFA-Plattform an andere kritische Biomarker mit geringer Häufigkeit angepasst werden könnte, wodurch ihre potenziellen Anwendungen auf verschiedene Bereiche der medizinischen Diagnostik ausgeweitet werden könnten. Die Portabilität, Einfachheit und Erschwinglichkeit der Plattform machen sie zu einer praktikablen Alternative zu zentralisierten Labortests für viele Erkrankungen und geben Hoffnung auf verbesserte Gesundheitsergebnisse weltweit.

Diese Arbeit wurde durch eine Zusammenarbeit zwischen den UCLA-Abteilungen für Elektrotechnik und Computertechnik (Ozcan Lab), Bioingenieurwesen (Di Carlo Lab) und dem California NanoSystems Institute (CNSI) ermöglicht.