Бумажный сенсор обеспечивает быструю кардиодиагностику за 15 минут
Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) представили усовершенствованный методом глубокого обучения бумажный вертикальный проточный иммуноанализ (VFA) для высокочувствительного обнаружения сердечного тропонина I (cTnI). Эта инновационная платформа может демократизировать доступ к быстрой и надежной кардиодиагностике, особенно в условиях ограниченных ресурсов.
Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) остаются основной причиной смерти в мире, ежегодно унося более 19 миллионов жизней. Раннее выявление острого инфаркта миокарда (ОИМ) критически важно для улучшения исходов лечения и снижения смертности. Однако высокая стоимость и требования к инфраструктуре традиционного лабораторного оборудования часто ограничивают доступ к качественной помощи, особенно в регионах с низким и средним уровнем дохода.
Для решения этой проблемы исследователи разработали высокочувствительный вертикальный проточный иммуноанализ (hs-VFA), сочетающий точность лабораторных тестов с удобством и доступностью технологий для оказания медицинской помощи на месте. Платформа способна точно количественно определять уровень cTnI всего за 15 минут, используя небольшой образец сыворотки крови.
В основе платформы лежит интеграция алгоритмов глубокого обучения с передовой химией усиления сигнала на основе наночастиц. Система hs-VFA использует покадровую съемку и вычислительный анализ для обнаружения cTnI — ключевого биомаркера повреждения сердца, достигая предела обнаружения всего 0.2 пикограмма на миллилитр (пг/мл). Эта чувствительность превосходит большинство существующих устройств для тестирования на месте и соответствует клиническим требованиям для высокочувствительного определения тропонина.
«Мы рады представить это недорогое портативное решение, которое устраняет разрыв между централизованной лабораторной диагностикой и тестированием на месте», — сказал профессор Айдоган Озджан, старший автор исследования.
Система hs-VFA работает в два этапа: иммуноанализ и усиление сигнала. На первом этапе для связывания cTnI используются конъюгаты с золотыми наночастицами. На втором этапе ионы золота катализируются наночастицами, что приводит к изменению цвета, которое фиксируется портативным считывателем. Алгоритмы глубокого обучения анализируют покадровые изображения для повышения чувствительности и точности.
В тестах с использованием как модельных, так и клинических образцов сыворотки hs-VFA продемонстрировал высокую точность с коэффициентом вариации (CV) менее 7% и сильную корреляцию с эталонными лабораторными анализаторами. Динамический диапазон системы охватывает концентрации cTnI от 0.2 пг/мл до 100 нанограмм на миллилитр (нг/мл), что делает её пригодной как для диагностики, так и для мониторинга пациентов.
Ключевым преимуществом является экономическая эффективность. Стоимость одного бумажного теста составляет менее 4 * *, апортативныйсчитывательнабазекомпьютераRaspberryPiистандартныхкомпонентовстоитоколо * *170 за устройство.
«Наша цель — создать систему, которую можно использовать не только в больницах, но и в клиниках, аптеках и даже в машинах скорой помощи», — отметил доктор Гё-Ре Хан, первый автор исследования.
Помимо кардиодиагностики, платформу hs-VFA можно адаптировать для обнаружения других важных низкоуровневых биомаркеров, что расширяет её потенциальное применение в различных областях медицинской диагностики.
Исследование стало результатом сотрудничества между кафедрами электротехники и вычислительной техники (лаборатория Озджана), биоинженерии (лаборатория Ди Карло) UCLA и Калифорнийского института наносистем (CNSI).