加州大学洛杉矶分校的一组研究人员介绍了一种深度学习增强的基于纸张的垂直流动试验(VFA)，能够以高灵敏度检测心脏肌钙蛋白I (cTnI)，这在即时医疗诊断领域取得了重大进展。这种创新的检测方法有可能使快速可靠的心脏诊断大众化，特别是在资源有限的情况下。
心血管疾病仍然是全世界死亡的主要原因，每年造成1 900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，特别是在低收入和中等收入地区。
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试验(hs-VFA)，它结合了传统实验室测试的精确性和即时护理技术的便利性和可负担性。他们的研究结果详细发表在最近发表在ACS Nano上的一篇论文中，表明这种创新的平台可以在15分钟内使用少量血清样本准确地定量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。
该平台的核心在于深度学习算法与尖端纳米粒子扩增化学的融合。hs-VFA系统使用延时成像和计算分析来增强对ctni(心脏损伤的关键生物标志物)的检测，检测限低至每毫升0.2 picgrams (pg/mL)。这种灵敏度水平大大超过了目前的护理点设备，满足了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。
该研究的资深作者、加州大学洛杉矶分校Volgenau工程创新主席Aydogan Ozcan教授说:“我们很高兴推出这种低成本、便携的解决方案，它弥合了中央实验室诊断和即时护理测试之间的差距。”“我们的纸质平台以深度学习为动力，为目前医院使用的笨重、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系统分为两个阶段:初始免疫测定阶段，随后是信号放大阶段。在免疫分析阶段，该测试使用金纳米颗粒偶联物与血清中的cTnI结合。在信号放大阶段，金离子被纳米颗粒催化，产生颜色变化，这种变化被定制设计的便携式读取器捕获。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%。它还显示出与金标准实验室分析仪的强相关性。重要的是，hs-VFA还显示了广泛的动态范围，覆盖了从0.2 pg/mL到100纳克/毫升(ng/mL)的cTnI浓度。这一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。纸质检测每次检测的成本不到4美元，而使用树莓派电脑和现成组件设计的便携式读取器每台的成本约为170美元。这种可负担性对于在缺乏传统实验室基础设施的低资源环境中扩大获得高质量诊断至关重要。
“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韩教热(Gyeo-Re Han)博士说。“在不同环境下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平台可以适用于其他关键的低丰度生物标志物，将其潜在的应用范围扩大到医疗诊断的各个领域。该平台的便携性、简单性和可负担性使其成为许多条件下集中实验室测试的可行替代方案，为改善全球范围内的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)的合作才得以实现的。
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