Портативный бумажный иммунологический анализ в сочетании с приложением для смартфона для колориметрического и количественного обнаружения антигена Dengue NS1

Инфекция, вызванная вирусом денге (DENV), является самой быстро распространяющейся^{болезнью,} переносимой комарами1, и более 390 миллионов человек инфицированы 96 миллионами симптоматических инфекций, 2 миллионами случаев тяжелого течения болезни и более 25 000 смертей в год^{в мире 1,2}. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), примерно 3,9 миллиарда человек подвержены риску заболевания денге; ~70% проживают в странах Азиатско-Тихоокеанского региона и в основном в Юго-Восточной Азии³. В 2019 г. число случаев денге, о которых было сообщено ВОЗ, составило 4,2 миллиона, и на Таиланд пришлось не менее 136 000 случаев заболевания денге и 144 случая смерти^{от инфекции} денге4. Вспышка лихорадки денге в Таиланде происходит в сезон дождей, с апреля по декабрь, как в городских, так и в сельских районах, особенно в северо-восточной части.

Инфекции DENV имеют различные клинические проявления, начиная от субклинических симптомов, легкой лихорадки денге (ДФ) и заканчивая тяжелой геморрагической лихорадкой денге (ДГЧ). Основной характеристикой тяжелого состояния ДГФ является повышенная проницаемость сосудов с последующим шоком и органной дисфункцией¹. Понимание молекулярного пути, который может вызвать сосудистую утечку, очень важно для разработки эффективных методов лечения денге. Неструктурный белок денге 1 (NS1) представляет собой секретируемый гликопротеин во время ранней вирусной инфекции ^5,6 и функционирует как кофактор репликации вирусной РНК⁷. NS1 может вызывать высвобождение цитокинов и способствовать утечке из сосудов, связываясь с толл-подобным рецептором 4 (TLR4) и эндотелиальным гликокаликсом ^8,9. Исследования in vitro показали, что NS1 взаимодействует с эндотелиальными клетками и индуцирует апоптоз. Это состояние может способствовать эндотелиальной дисфункции и сосудистой утечке¹⁰. Уровни антигена NS1, коррелирующие с уровнями сывороточного интерлейкина (ИЛ)-10, были значительно повышены у пациентов с тяжелым клиническим заболеванием¹¹. Денге NS1 также вносит свой вклад в патогенез заболевания, индуцируя IL-10 и подавляя DENV-специфические Т-клеточные ответы^12,13. Кроме того, белок денге NS1 ассоциировался с тяжелым клиническим заболеванием, а концентрация NS1 > 600 нг мл-1 в первые 3 дня болезни ассоциировалась с развитием DHF¹⁴.

Персистенция антигена денге NS1 у пациентов с ДГФ может быть использована в качестве маркера тяжелой денге⁶. Существует несколько методов обнаружения NS1 в клинических образцах, таких как иммуноферментный анализ (ИФА) и экспресс-тест¹⁵. Золотым стандартом измерения концентрации белков NS1 в клинических условиях является метод ИФА. Однако метод ИФА является дорогостоящим и требует квалифицированного персонала и лабораторного оборудования¹⁶. Таким образом, разработка технологии обнаружения и количественного определения белков NS1 в тесте на месте оказания медицинской помощи (POCT) все еще продолжается. В последнее десятилетие бумажные иммунологические анализы, такие как анализы бокового потока (LFA) и микрофлюидные аналитические устройства на бумажной основе (μPA), стали популярными в качестве диагностических тестов из-за их простоты, быстроты, дешевизны и специфичности 17,18,19. В бумажном иммуноанализе для генерации сигналов было использовано несколько меток, таких как наночастицы золота (AuNPs)²⁰, магнитные наночастицы^21,22, квантовые точки²³ и флуоресцентные материалы^24,25. AuNP являются наиболее распространенными этикетками, используемыми в бумажных иммунологических анализах, из-за их недорогой стоимости производства, простоты изготовления, стабильности и простоты считывания. В настоящее время анализы латерального потока (LFA) на денге NS1 широко используются в клинических условиях^26,27. Тем не менее, обычное распознавание этикеток LFA обычно выполняется невооруженным глазом и дает только качественные результаты.

За последнее десятилетие во всем мире широко использовалось более 5 миллиардов смартфонов, и есть потенциал для разработки портативных систем обнаружения^28,29. Смартфоны обладают многофункциональными возможностями, такими как встроенные физические датчики, многоядерные процессоры, цифровые камеры, USB-порты, аудиопорты, беспроводное и прикладное программное обеспечение, что делает их пригодными для использования в различных биосенсорных платформах³⁰. Кроме того, беспроводные технологии позволяют быстро передавать данные и могут использоваться для мониторинга в режиме реального времени и на месте³¹. Mudanyali et al. объединили бумажный иммунологический анализ и смартфоны для разработки портативной, не требующей оборудования, быстрой, недорогой и удобной в использовании платформы POCT для малярии, туберкулеза и^ВИЧ-32. Ling et al. сообщили об анализе бокового потока в сочетании с камерой смартфона для количественного определения активности щелочной фосфатазы в молоке³³. Hou et al. также разработали двухмодальную систему визуализации на основе смартфона для количественных сигналов от цвета или флуоресценции в анализе бокового потока³⁴. Кроме того, использование смартфона в качестве колориметрического и количественного считывателя может улучшить чувствительность, в то время как невооруженный глаз не может уверенно сообщить о присутствии цели³⁵.

Представляя собой прорыв в диагностике денге, DEN-NS1-PAD ^36,37,38 (далее именуемый устройством) предлагает портативное и эффективное решение. Используя технологию микрофлюидной бумаги с восковой печатью, это устройство количественно определяет NS1 с высокой чувствительностью и специфичностью за счет обработки изображений. Чтобы еще больше повысить его полезность, мы разработали удобное приложение для смартфона для колориметрического и количественного считывания. Клиническая валидация с использованием образцов пациентов из тайских больниц подчеркивает его непосредственное влияние на оценку состояния пациента в режиме реального времени. Наша инновация знаменует собой важнейший прогресс в области оптимизированного ведения денге в местах оказания медицинской помощи, обещая произвести революцию в диагностике в условиях ограниченных ресурсов здравоохранения.