Sensor baseado em papel oferece diagnóstico cardíaco rápido em 15 minutos

Em um avanço significativo para o diagnóstico médico no native de atendimento, uma equipe de pesquisadores da UCLA introduziu um ensaio de fluxo vertical (VFA) baseado em papel, aprimorado com aprendizagem profunda, capaz de detectar troponina I cardíaca (cTnI) com alta sensibilidade. O ensaio inovador tem potencial para democratizar o acesso a diagnósticos cardíacos rápidos e confiáveis, especialmente em ambientes com recursos limitados.

As doenças cardiovasculares (DCV) continuam a ser a principal causa de morte em todo o mundo, sendo responsáveis ​​por mais de 19 milhões de mortes anualmente. Detecção precoce do infarto agudo do miocárdio (IAM), comumente conhecido como ataque cardíacoé essencial para melhorar os resultados dos pacientes e reduzir as taxas de mortalidade. No entanto, os elevados custos e os requisitos de infra-estruturas associados ao equipamento de diagnóstico tradicional baseado em laboratório limitam frequentemente o acesso a cuidados de alta qualidade, especialmente em regiões de baixos e médios rendimentos.

Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores da UCLA desenvolveram um ensaio de fluxo vertical de alta sensibilidade (hs-VFA) que combina a precisão dos testes laboratoriais tradicionais com a conveniência e o preço acessível das tecnologias no native de atendimento. Suas descobertas, detalhadas em um artigo publicado recentemente em ACS Nanodemonstram que esta plataforma inovadora pode quantificar com precisão os níveis de cTnI em apenas 15 minutos usando uma pequena amostra de soro, tornando-a ultimate para diagnósticos rápidos em ambientes de emergência ou locais remotos.

O núcleo desta plataforma reside na integração de aprendizagem profunda algoritmos com química de amplificação de nanopartículas de última geração. O sistema hs-VFA usa imagens de lapso de tempo e análise computacional para melhorar a detecção de cTnI – um biomarcador chave para danos cardíacos – atingindo um limite de detecção tão baixo quanto 0,2 picogramas por mililitro (pg/mL). Este nível de sensibilidade supera por uma margem significativa os atuais dispositivos no native de atendimento e atende aos requisitos clínicos para testes de troponina de alta sensibilidade, que são essenciais para o diagnóstico precoce de IAM.

“Estamos entusiasmados em apresentar esta solução portátil e de baixo custo que preenche a lacuna entre o diagnóstico laboratorial central e os testes no native de atendimento”, disse o professor Aydogan Ozcan, autor sênior do estudo e presidente da Cátedra Volgenau para Inovação em Engenharia na UCLA. . “Nossa plataforma baseada em papel, alimentada por aprendizagem profunda, oferece uma alternativa eficaz aos instrumentos volumosos e caros usados ​​atualmente em hospitais. Ela mantém a promessa de levar diagnósticos cardíacos avançados a populações carentes em todo o mundo.”

O sistema hs-VFA opera em duas etapas: uma fase inicial de imunoensaio seguida por uma fase de amplificação de sinal. Na fase de imunoensaio, o teste utiliza conjugados de nanopartículas de ouro para se ligar ao cTnI no soro. Na fase de amplificação do sinal, os íons de ouro são catalisados ​​por nanopartículas, resultando em uma mudança de cor que é capturada por um leitor portátil personalizado. Algoritmos de aprendizado profundo analisam essas imagens de lapso de tempo para aumentar a sensibilidade e a precisão da detecção de cTnI.

Em testes rigorosos utilizando amostras de soro enriquecidas e clínicas, o hs-VFA demonstrou alta precisão com um coeficiente de variação (CV) inferior a 7%. Também exibiu uma forte correlação com analisadores laboratoriais padrão-ouro. É importante ressaltar que o hs-VFA também demonstrou uma extensa faixa dinâmica, cobrindo concentrações de cTnI de 0,2 pg/mL a 100 nanogramas por mililitro (ng/mL). Esta gama torna-o adequado não só para diagnosticar ataques cardíacos, mas também para monitorizar pacientes em risco ao longo do tempo.

A relação custo-benefício desta plataforma é outro destaque importante. O ensaio em papel custa menos de US$ 4 por teste, enquanto o leitor portátil, projetado usando um computador Raspberry Pi e componentes disponíveis no mercado, custa aproximadamente US$ 170 por unidade. Esta acessibilidade é essential para expandir o acesso a diagnósticos de alta qualidade em ambientes com poucos recursos, onde a infraestrutura laboratorial tradicional pode não estar disponível.

“Nosso objetivo period projetar um sistema que pudesse ser usado não apenas em hospitais, mas também em clínicas, farmácias e até mesmo em ambulâncias”, disse o Dr. Gyeo-Re Han, primeiro autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado na UCLA. “A capacidade de detectar e quantificar rapidamente os níveis de troponina em diversos ambientes poderia permitir um tratamento mais rápido e eficaz de pacientes com ataque cardíaco, particularmente durante a fase crítica do atendimento pré-hospitalar”.

Além do diagnóstico cardíaco, os pesquisadores acreditam que a plataforma hs-VFA poderia ser adaptada para outros biomarcadores críticos de baixa abundância, ampliando suas aplicações potenciais para diversas áreas do diagnóstico médico. A portabilidade, simplicidade e acessibilidade da plataforma posicionam-na como uma alternativa viável aos testes laboratoriais centralizados para muitas condições, oferecendo esperança de melhores resultados de saúde à escala international.

Este trabalho foi possível através de uma colaboração entre os Departamentos de Engenharia Elétrica e de Computação da UCLA (Ozcan Lab), Bioengenharia (Di Carlo Lab) e o California NanoSystems Institute (CNSI).