Der papierbasierte Sensor ermöglicht eine schnelle Herzdiagnose in 15 Minuten

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

Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVDs) bleiben weltweit die häufigste Todesursache und verursachen jährlich über 19 Millionen Todesfälle. Die Früherkennung eines akuten Myokardinfarkts (AMI), allgemein bekannt als Herzinfarkt, ist für die Verbesserung der Patientenergebnisse und die Senkung der Sterblichkeitsrate von entscheidender Bedeutung. Allerdings schränken die hohen Kosten und Infrastrukturanforderungen, die mit herkömmlichen laborbasierten Diagnosegeräten einhergehen, häufig den Zugang zu hochwertiger Versorgung ein, insbesondere in Regionen mit niedrigem und mittlerem Einkommen.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Forscher der UCLA einen hochempfindlichen Vertikalflusstest (hs-VFA) entwickelt, der die Präzision traditioneller Labortests mit der Bequemlichkeit und Erschwinglichkeit von Point-of-Care-Technologien kombiniert. Ihre Ergebnisse, detailliert in einem kürzlich veröffentlichten Artikel in 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 Notfallsituationen 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 den Nachweis von cTnI – einem wichtigen Biomarker für Herzschäden – zu verbessern und erreicht eine Nachweisgrenze von nur 0,2 Pikogramm pro Milliliter (pg/ml). Dieses Maß an Empfindlichkeit übertrifft aktuelle Point-of-Care-Geräte um ein Vielfaches und erfüllt die klinischen Anforderungen für hochempfindliche Troponintests, die für die Frühdiagnose von AMI unerlässlich sind.

„Wir freuen uns, diese kostengünstige, tragbare Lösung vorstellen zu können, die die Lücke zwischen zentraler Labordiagnostik und Point-of-Care-Tests schließt“, sagte Professor Aydogan Ozcan, der leitende Autor der Studie und Volgenau-Lehrstuhl für technische Innovation an der UCLA . „Unsere papierbasierte Plattform, die auf Deep Learning basiert, bietet eine effektive Alternative zu den sperrigen, teuren Instrumenten, die derzeit in Krankenhäusern verwendet werden. Sie verspricht, unterversorgten Bevölkerungsgruppen weltweit 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 der hs-VFA eine hohe Präzision mit einem Variationskoeffizienten (CV) von weniger als 7 %. Es zeigte auch eine starke Korrelation mit Goldstandard-Laboranalysatoren. Wichtig ist, dass der hs-VFA auch einen umfangreichen dynamischen Bereich zeigte, 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 Kosteneffizienz dieser Plattform ist ein weiteres wichtiges Highlight. Der papierbasierte Test kostet weniger als 4 US-Dollar pro Test, während das tragbare Lesegerät, das mit einem Raspberry Pi-Computer und handelsüblichen Komponenten entwickelt wurde, 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, der Erstautor der Studie und Postdoktorand an der UCLA. „Die Fähigkeit, Troponinspiegel in verschiedenen Umgebungen schnell zu erkennen und zu quantifizieren, könnte eine schnellere und effektivere Behandlung von Herzinfarktpatienten ermöglichen, insbesondere während der kritischen präklinischen Behandlungsphase.“

Über die Herzdiagnostik hinaus glauben die Forscher, dass die hs-VFA-Plattform für 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 für viele Erkrankungen zu einer praktikablen Alternative zu zentralisierten Labortests und bieten Hoffnung auf verbesserte Gesundheitsergebnisse auf globaler Ebene.

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.