基于纸张的传感器可在15分钟内提供快速心脏诊断

在床旁医学诊断的重要进展中，来自加州大学洛杉矶分校的一个研究团队推出了一种增强型深度学习的纸质垂直流动检测（VFA），能够高灵敏度地检测心肌肌钙蛋白I（cTnI）。这种创新性的检测方法有望使快速可靠的心脏诊断在资源有限的环境中普及。

心血管疾病（CVD）仍然是全球死亡的主要原因，每年造成超过1900万人死亡。急性心肌梗死（AMI），通常称为心脏病发作的早期检测至关重要。心脏病发作改善患者预后和降低死亡率是必不可少的。然而，传统基于实验室的诊断设备的高昂成本和基础设施要求常常限制了高质量护理的可及性，特别是在低收入和中等收入地区。

为了应对这一挑战， UCLA的研究人员开发了一种高灵敏度垂直流动检测法（hs-VFA），该方法结合了传统实验室测试的精确性和即时检验技术的便利性与经济性。他们的研究成果发表在最近一期的期刊上。ACS纳米（ACS Nano）展示该创新平台能够仅用一小份血清样本在15分钟内准确量化心肌肌钙蛋白I（cTnI）水平，使其成为急诊或偏远地区快速诊断的理想选择。

该平台的核心在于集成深度学习采用尖端纳米粒子放大化学的算法。hs-VFA系统使用时间 lapse 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，实现了低至0.2皮克每毫升(pg/mL)的检出限。这种灵敏度远远超过了当前即时检测设备，并满足了高敏肌钙蛋白检测的临床要求，这对于急性心肌梗死(AMI)的早期诊断至关重要。

“我们兴奋地推出这一低成本、便携式的解决方案，它填补了中心实验室诊断与即时检测之间的差距，”该研究的高级作者、加州大学洛杉矶分校工程创新Volgenau主席Aydogan Ozcan教授说。“我们的基于纸张的平台，由深度学习驱动，为目前医院使用的庞大且昂贵的仪器提供了一种有效的替代方案。它有望将先进的心脏病诊断技术带给全球服务不足的人群。”

hs-VFA系统分为两个阶段运行：首先是免疫测定阶段，随后是信号放大阶段。在免疫测定阶段，测试使用金纳米颗粒结合物与血清中的cTnI（心肌肌钙蛋白I）结合。在信号放大阶段，纳米粒子催化金离子生成颜色变化，这种变化由一个定制设计的便携式读取器捕获。随后，深度学习算法分析这些时间推移图像，以增强cTnI检测的敏感性和准确性。

在使用加标和临床血清样本进行的严格测试中，hs-VFA表现出很高的精确度，变异系数（CV）低于7%。它还与金标准实验室分析仪显示出强烈的相关性。重要的是，hs-VFA还展示了广泛的动态范围，涵盖了cTnI浓度从0.2 pg/mL到100纳克每毫升（ng/mL）。这个范围使其不仅适用于诊断心脏病发作，也适用于长期监测高风险患者。

该平台的成本效益是另一个关键亮点。纸质检测的费用低于每次4美元，而便携式阅读器采用Raspberry Pi计算机和现成组件设计，每个单元的价格约为170美元。这种经济性对于在资源匮乏地区扩大高质量诊断的获取渠道至关重要，因为在这些地方传统的实验室基础设施可能不可用。

“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、药店甚至救护车中使用的系统。”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圭烈博士说道。“能够在不同环境中快速检测和量化肌钙蛋白水平的能力可以使心脏病发作患者的治疗更快更有效，特别是在关键的院前护理阶段。”

除了心脏诊断之外，研究人员相信hs-VFA平台可以适应其他重要的低丰度生物标志物，从而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、简便性和经济性使其成为许多疾病集中实验室检测的一种可行替代方案，为全球范围内改善健康结果带来了希望。

本工作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）以及加州纳米系统研究所（CNSI）的合作得以实现。