Dans le cadre d’une avancée significative pour le diagnostic médical au point d’intervention, une équipe de chercheurs de l’UCLA a introduit un test à flux vertical (VFA) sur papier amélioré par apprentissage profond, capable de détecter la troponine cardiaque I (cTnI) avec une sensibilité élevée. Ce test innovant a le potentiel de démocratiser l’accès à des diagnostics cardiaques rapides et fiables, en particulier dans les contextes aux ressources limitées.
Les maladies cardiovasculaires (MCV) restent la principale cause de décès dans le monde, représentant plus de 19 millions de décès par an. La détection précoce de l’infarctus aigu du myocarde (IAM), communément appelé crise cardiaque, est essentielle pour améliorer les résultats pour les patients et réduire les taux de mortalité. Cependant, les coûts élevés et les exigences en matière d’infrastructure associés aux équipements de diagnostic traditionnels en laboratoire limitent souvent l’accès à des soins de haute qualité, en particulier dans les régions à revenu faible ou intermédiaire.
Pour relever ce défi, les chercheurs de l’UCLA ont développé un test à flux vertical haute sensibilité (hs-VFA) qui combine la précision des tests de laboratoire traditionnels avec la commodité et le prix abordable des technologies au point de service. Leurs conclusions, détaillées dans un article récemment publié dans ACS Nanodémontrent que cette plateforme innovante peut quantifier avec précision les niveaux de cTnI en seulement 15 minutes à l’aide d’un petit échantillon de sérum, ce qui la rend idéale pour un diagnostic rapide dans les situations d’urgence ou dans les endroits éloignés.
Le cœur de cette plateforme réside dans l’intégration d’algorithmes d’apprentissage profond avec une chimie d’amplification de nanoparticules de pointe. Le système hs-VFA utilise l’imagerie accélérée et l’analyse informatique pour améliorer la détection du cTnI, un biomarqueur clé des lésions cardiaques, atteignant une limite de détection aussi basse que 0,2 picogrammes par millilitre (pg/mL). Ce niveau de sensibilité dépasse de loin les dispositifs actuels au point d’intervention et répond aux exigences cliniques des tests de troponine à haute sensibilité, essentiels au diagnostic précoce de l’IAM.
« Nous sommes ravis de présenter cette solution portable et peu coûteuse qui comble le fossé entre les diagnostics de laboratoire central et les tests sur le lieu d’intervention », a déclaré le professeur Aydogan Ozcan, auteur principal de l’étude et titulaire de la chaire Volgenau pour l’innovation en ingénierie à l’UCLA. . « Notre plateforme papier, alimentée par l’apprentissage profond, offre une alternative efficace aux instruments encombrants et coûteux actuellement utilisés dans les hôpitaux. Elle promet d’apporter des diagnostics cardiaques avancés aux populations mal desservies du monde entier.
Le système hs-VFA fonctionne en deux étapes : une phase initiale d’immunoessai suivie d’une phase d’amplification du signal. Dans la phase de dosage immunologique, le test utilise des conjugués de nanoparticules d’or pour se lier au cTnI dans le sérum. Dans la phase d’amplification du signal, les ions d’or sont catalysés par des nanoparticules, ce qui entraîne un changement de couleur qui est capturé par un lecteur portable conçu sur mesure. Des algorithmes d’apprentissage profond analysent ensuite ces images accélérées pour améliorer la sensibilité et la précision de la détection des cTnI.
Lors de tests rigoureux utilisant des échantillons de sérum enrichis et cliniques, le hs-VFA a démontré une haute précision avec un coefficient de variation (CV) inférieur à 7 %. Il a également montré une forte corrélation avec les analyseurs de laboratoire de référence. Il est important de noter que le hs-VFA a également démontré une plage dynamique étendue, couvrant les concentrations de cTnI de 0,2 pg/mL à 100 nanogrammes par millilitre (ng/mL). Cette gamme le rend adapté non seulement au diagnostic des crises cardiaques, mais également au suivi des patients à risque au fil du temps.
La rentabilité de cette plateforme est un autre point fort. Le test sur papier coûte moins de 4 dollars par test, tandis que le lecteur portable, conçu à l’aide d’un ordinateur Raspberry Pi et de composants disponibles dans le commerce, coûte environ 170 dollars par unité. Ce caractère abordable est crucial pour élargir l’accès à des diagnostics de haute qualité dans les contextes à faibles ressources, où les infrastructures de laboratoire traditionnelles peuvent ne pas être disponibles.
« Notre objectif était de concevoir un système qui pourrait être utilisé non seulement dans les hôpitaux mais également dans les cliniques, les pharmacies et même dans les ambulances », a déclaré le Dr Gyeo-Re Han, premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral à l’UCLA. « La capacité de détecter et de quantifier rapidement les niveaux de troponine dans divers contextes pourrait permettre un traitement plus rapide et plus efficace des patients atteints de crise cardiaque, en particulier pendant la phase préhospitalière critique des soins. »
Au-delà du diagnostic cardiaque, les chercheurs pensent que la plateforme hs-VFA pourrait être adaptée à d’autres biomarqueurs critiques de faible abondance, élargissant ainsi ses applications potentielles à divers domaines du diagnostic médical. La portabilité, la simplicité et le prix abordable de la plateforme la positionnent comme une alternative viable aux tests de laboratoire centralisés pour de nombreuses pathologies, offrant ainsi l’espoir d’améliorer les résultats en matière de santé à l’échelle mondiale.
Ce travail a été rendu possible grâce à une collaboration entre les départements de génie électrique et informatique de l’UCLA (Ozcan Lab), de bioingénierie (Di Carlo Lab) et le California NanoSystems Institute (CNSI).
Plus d’informations :
Gyeo-Re Han et al, Test à flux vertical sur papier amélioré par apprentissage profond pour la détection de troponines à haute sensibilité à l’aide de l’amplification de nanoparticules, ACS Nano (2024). DOI : 10.1021/acsnano.4c05153