纸基传感器可在15分钟内进行快速心脏诊断

加州大学洛杉矶分校的一个研究小组推出了一种深度学习增强的基于纸张的垂直流动测定法（VFA），能够以高灵敏度检测心肌肌钙蛋白I（cTnI），这是护理点医学诊断的一项重大进展。这种创新的检测方法有可能使快速可靠的心脏诊断普及，特别是在资源有限的环境中

心血管疾病（CVDs）仍然是全球死亡的主要原因，每年造成1900多万人死亡。早期发现急性心肌梗死（AMI），通常称为心脏病发作，对于改善患者预后和降低死亡率至关重要。然而，与传统实验室诊断设备相关的高成本和基础设施要求往往限制了获得高质量护理的机会，特别是在中低收入地区

为了应对这一挑战，加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一种高灵敏度的垂直流动分析（hs-VFA），将传统实验室测试的精度与护理点技术的便利性和可负担性相结合。他们的研究结果在最近发表在ACS Nano上的一篇论文中进行了详细介绍，表明这个创新平台可以使用少量血清样本在短短15分钟内准确量化cTnI水平，使其成为紧急情况或偏远地区快速诊断的理想选择

该平台的核心在于将深度学习算法与尖端的纳米粒子扩增化学相结合。hs-VFA系统使用延时成像和计算分析来增强cTnI的检测，cTnI是心脏损伤的关键生物标志物，检测限低至0.2皮克/毫升（pg/mL）。这种灵敏度水平远远超过了目前的护理点设备，符合高灵敏度肌钙蛋白检测的临床要求，这对AMI的早期诊断至关重要

“我们很高兴推出这种低成本、便携的解决方案，弥合了中央实验室诊断和护理点测试之间的差距，”该研究的资深作者、加州大学洛杉矶分校伏尔加瑙工程创新主席Aydogan Ozcan教授说。“我们的基于纸张的平台由深度学习提供支持，为医院目前使用的笨重、昂贵的仪器提供了一种有效的替代方案。它有望为全球服务不足的人群带来先进的心脏诊断。”

hs-VFA系统分两个阶段运行：初始免疫测定阶段，然后是信号放大阶段。在免疫测定阶段，该测试使用金纳米粒子偶联物与血清中的cTnI结合。在信号放大阶段，金离子被纳米粒子催化，导致颜色变化，由定制设计的便携式阅读器捕获。然后，深度学习算法分析这些延时图像，以提高cTnI检测的灵敏度和准确性

在使用加标和临床血清样本的严格测试中，hs-VFA显示出高精度，变异系数（CV）小于7%。它还与金标准实验室分析仪表现出很强的相关性。重要的是，hs-VFA还显示出广泛的动态范围，涵盖了0.2 pg/mL至100纳克/毫升（ng/mL）的cTnI浓度。该范围不仅适用于诊断心脏病发作，也适用于长期监测高危患者

该平台的成本效益是另一个关键亮点。纸质检测每次测试的成本不到4美元，而使用Raspberry Pi计算机和现成组件设计的便携式阅读器每台成本约为170美元。这种可负担性对于在传统实验室基础设施可能不可用的低资源环境中扩大高质量诊断的可及性至关重要

“我们的目标是设计一个不仅可以在医院使用，还可以在诊所、药店甚至救护车上使用的系统，”该研究的第一作者、加州大学洛杉矶分校的博士后研究员Gyeo Re Han博士说。“在不同环境中快速检测和量化肌钙蛋白水平的能力可以更快、更有效地治疗心脏病发作患者，特别是在关键的院前护理阶段。”

除了心脏诊断，研究人员认为hs-VFA平台还可以适用于其他关键的低丰度生物标志物，将其潜在应用扩展到医学诊断的各个领域。该平台的便携性、简单性和可负担性使其成为许多情况下集中式实验室检测的可行替代方案，为全球范围内改善健康结果带来了希望

这项工作是通过加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系（Ozcan实验室）、生物工程系（Di Carlo实验室）和加州纳米系统研究所（CNSI）之间的合作实现的 More information: Gyeo-Re Han et al, Deep Learning-Enhanced Paper-Based Vertical Flow Assay for High-Sensitivity Troponin Detection Using Nanoparticle Amplification, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c05153

Journal information: ACS Nano