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Les tests de laboratoire centralisés ont été un outil standard pour diagnostiquer les maladies courantes. Cependant, les tests en laboratoire nécessitent généralement un équipement médical coûteux et impliquent des protocoles d'opération complexes qui ne peuvent être effectués que dans un établissement médical par du personnel bien formé. Ces exigences allongent la durée des tests et empêchent l'utilisation généralisée des diagnostics dans les régions éloignées et aux ressources limitées en raison de l'accès limité aux laboratoires centralisés. Pour remédier à certaines de ces limitations, des capteurs de point de service (POC) ont été développés en tant qu'outils de diagnostic alternatifs avec un fonctionnement simple et rapide, une taille compacte et un faible coût.

Les capteurs à base de papier constituent le type le plus courant de tests POC, souvent appelés dosages à flux latéral (LFA), où le fluide échantillon injecté s'écoule horizontalement et réagit avec les régions de test spécifiques ("lignes de test"), générant, par exemple, une couleur changement. Malgré leurs avantages de simplicité et de rentabilité, les LFA existants présentent plusieurs limites, notamment une sensibilité plus faible et la difficulté des tests multiplexés des biomarqueurs de la maladie.

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Pour surmonter ces limites, les chercheurs de l'UCLA ont développé un nouveau biocapteur sur papier utilisant un test de flux vertical multiplexé fluorescent pour quantifier simultanément et rapidement trois biomarqueurs cardiaques à partir d'échantillons de sérum humain. Les résultats de ce nouveau capteur POC multiplexé ont été publiés dans la revue Small.

Aydogan Ozcan, professeur chancelier de génie électrique et informatique et directeur associé du California NanoSystems Institute à l'UCLA, a dirigé la recherche en collaboration avec le professeur Dino Di Carlo du département de bioingénierie de l'UCLA, le professeur Omai Garner, directeur du laboratoire de microbiologie clinique de l'UCLA, Dr Hyou-Arm Joung, associé de recherche principal à UCLA et Artem Goncharov, étudiant diplômé au département de génie électrique et informatique de UCLA.

La conception à flux vertical de ce nouveau capteur POC à base de papier permet d'avoir plusieurs régions de test avec jusqu'à 100 points de test individuels dans une seule cartouche jetable. « Cette conception nous permet essentiellement d'intégrer des dizaines de capteurs POC différents dans une seule cassette et d'effectuer des tests de diagnostic multiplexés en parallèle avec le même capteur papier à faible coût », a déclaré le professeur Ozcan. Ce puissant capteur POC fonctionne à l'aide d'une petite gouttelette de sérum et comporte des étapes de fonctionnement simples qu'un utilisateur peu formé peut effectuer en moins de 15 minutes de temps de dosage total par patient. En plus du multiplexage, ce capteur à base de papier présente également une sensibilité élevée, atteignant une limite de détection meilleure que ~ 0,5 ng/mL pour chaque biomarqueur - inférieure à un milliardième de demi-gramme par millilitre de sérum.

En plus du test de flux vertical sur papier, les chercheurs de l'UCLA ont également développé un lecteur de fluorescence portable peu coûteux basé sur un téléphone portable et un pipeline d'analyse de signal assisté par apprentissage en profondeur pour effectuer automatiquement une quantification précise des trois biomarqueurs cibles de manière conviviale. . "Par rapport à une méthode d'étalonnage linéaire couramment utilisée, notre analyse basée sur l'apprentissage en profondeur bénéficie de la puissance d'approximation des fonctions des réseaux de neurones pour apprendre des relations non triviales entre les signaux de fluorescence multiplexés du capteur à base de papier et les concentrations d'analyte sous-jacentes dans le sérum, " dit Gontcharov. "En conséquence, nous avons des mesures quantitatives précises pour les trois biomarqueurs d'intérêt malgré le bruit de fond présent dans les échantillons de sérum cliniques."

Les chercheurs ont testé leur capteur multiplexé sur papier pour la quantification de trois biomarqueurs du syndrome coronarien aigu (SCA), notamment la myoglobine, la créatine kinase-MB (CK-MB) et la protéine de liaison aux acides gras de type cardiaque (FABP). Le SCA est une maladie cardiovasculaire qui nécessite un diagnostic précoce en cas d'urgence, et ces marqueurs cibles sont libérés dans la circulation sanguine dès le début des symptômes. Le capteur à base de papier développé a été testé sur des échantillons de sérum humain, et les concentrations mesurées pour les trois biomarqueurs cardiaques ont montré une bonne correspondance avec les mesures de vérité terrain obtenues par un test de laboratoire de paillasse standard. Avec sa précision, son fonctionnement rapide, sa facilité d'utilisation et son faible coût, ce capteur multiplexé sur papier compatible avec l'apprentissage en profondeur constitue un test POC attrayant pour diverses applications dans des environnements distants et à faibles ressources.

Cette recherche a été soutenue par le centre de recherche en ingénierie (ERC) des technologies avancées précises et des systèmes de santé pour les populations mal desservies (PATHS-UP) financé par la NSF.

Référence : Goncharov A, Joung H, Ghosh R, et al. Capteur de point de service multiplexé activé par l'apprentissage en profondeur utilisant un test de flux vertical de fluorescence sur papier. Petit. Publié en ligne le 27 avril 2023 : 2300617. doi : 10.1002/smll.202300617

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