加州大學(xué)洛杉磯分校的一組研究人員介紹了一種深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)的基于紙張的垂直流動(dòng)試驗(yàn)(VFA)，能夠以高靈敏度檢測心臟肌鈣蛋白I (cTnI)，這在即時(shí)醫(yī)療診斷領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。這種創(chuàng)新的檢測方法有可能使快速可靠的心臟診斷大眾化，特別是在資源有限的情況下。

心血管疾病仍然是全世界死亡的主要原因，每年造成1 900多萬人死亡。早期發(fā)現(xiàn)急性心肌梗死(AMI)，通常稱為心臟病發(fā)作，對于改善患者預(yù)后和降低死亡率至關(guān)重要。然而，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室診斷設(shè)備相關(guān)的高成本和基礎(chǔ)設(shè)施要求往往限制了獲得高質(zhì)量護(hù)理的機(jī)會(huì)，特別是在低收入和中等收入地區(qū)。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員開發(fā)了一種高靈敏度的垂直流動(dòng)試驗(yàn)(hs-VFA)，它結(jié)合了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試的精確性和即時(shí)護(hù)理技術(shù)的便利性和可負(fù)擔(dān)性。他們的研究結(jié)果詳細(xì)發(fā)表在最近發(fā)表在ACS Nano上的一篇論文中，表明這種創(chuàng)新的平臺(tái)可以在15分鐘內(nèi)使用少量血清樣本準(zhǔn)確地定量cTnI水平，使其成為緊急情況或偏遠(yuǎn)地區(qū)快速診斷的理想選擇。

該平臺(tái)的核心在于深度學(xué)習(xí)算法與尖端納米粒子擴(kuò)增化學(xué)的融合。hs-VFA系統(tǒng)使用延時(shí)成像和計(jì)算分析來增強(qiáng)對ctni(心臟損傷的關(guān)鍵生物標(biāo)志物)的檢測，檢測限低至每毫升0.2 picgrams (pg/mL)。這種靈敏度水平大大超過了目前的護(hù)理點(diǎn)設(shè)備，滿足了高靈敏度肌鈣蛋白檢測的臨床要求，這對AMI的早期診斷至關(guān)重要。

該研究的資深作者、加州大學(xué)洛杉磯分校Volgenau工程創(chuàng)新主席Aydogan Ozcan教授說:“我們很高興推出這種低成本、便攜的解決方案，它彌合了中央實(shí)驗(yàn)室診斷和即時(shí)護(hù)理測試之間的差距?！薄拔覀兊募堎|(zhì)平臺(tái)以深度學(xué)習(xí)為動(dòng)力，為目前醫(yī)院使用的笨重、昂貴的儀器提供了一種有效的替代方案。它有望為全球服務(wù)不足的人群帶來先進(jìn)的心臟診斷?！?/p>

hs-VFA系統(tǒng)分為兩個(gè)階段:初始免疫測定階段，隨后是信號放大階段。在免疫分析階段，該測試使用金納米顆粒偶聯(lián)物與血清中的cTnI結(jié)合。在信號放大階段，金離子被納米顆粒催化，產(chǎn)生顏色變化，這種變化被定制設(shè)計(jì)的便攜式讀取器捕獲。然后，深度學(xué)習(xí)算法分析這些延時(shí)圖像，以提高cTnI檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性。

在使用加標(biāo)和臨床血清樣本的嚴(yán)格測試中，hs-VFA顯示出高精度，變異系數(shù)(CV)小于7%。它還顯示出與金標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室分析儀的強(qiáng)相關(guān)性。重要的是，hs-VFA還顯示了廣泛的動(dòng)態(tài)范圍，覆蓋了從0.2 pg/mL到100納克/毫升(ng/mL)的cTnI濃度。這一范圍不僅適用于診斷心臟病發(fā)作，也適用于長期監(jiān)測高?；颊摺?/p>

該平臺(tái)的成本效益是另一個(gè)關(guān)鍵亮點(diǎn)。紙質(zhì)檢測每次檢測的成本不到4美元，而使用樹莓派電腦和現(xiàn)成組件設(shè)計(jì)的便攜式讀取器每臺(tái)的成本約為170美元。這種可負(fù)擔(dān)性對于在缺乏傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施的低資源環(huán)境中擴(kuò)大獲得高質(zhì)量診斷至關(guān)重要。

“我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)不僅可以在醫(yī)院使用，還可以在診所、藥店甚至救護(hù)車上使用的系統(tǒng)，”該研究的第一作者、加州大學(xué)洛杉磯分校的博士后研究員韓教熱(Gyeo-Re Han)博士說?！霸诓煌h(huán)境下快速檢測和量化肌鈣蛋白水平的能力可以更快、更有效地治療心臟病發(fā)作患者，特別是在關(guān)鍵的院前護(hù)理階段?！?/p>

除了心臟診斷，研究人員認(rèn)為hs-VFA平臺(tái)可以適用于其他關(guān)鍵的低豐度生物標(biāo)志物，將其潛在的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到醫(yī)療診斷的各個(gè)領(lǐng)域。該平臺(tái)的便攜性、簡單性和可負(fù)擔(dān)性使其成為許多條件下集中實(shí)驗(yàn)室測試的可行替代方案，為改善全球范圍內(nèi)的健康結(jié)果帶來了希望。

這項(xiàng)工作是通過加州大學(xué)洛杉磯分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系(Ozcan實(shí)驗(yàn)室)、生物工程系(Di Carlo實(shí)驗(yàn)室)和加州納米系統(tǒng)研究所(CNSI)的合作才得以實(shí)現(xiàn)的。