Draagbare op papier gebaseerde immunoassay gecombineerd met smartphone-applicatie voor colorimetrische en kwantitatieve detectie van dengue NS1-antigeen

Infectie met het knokkelkoortsvirus (DENV) is de snelst verspreidende door muggen overgedragen ziekte¹, en meer dan 390 miljoen mensen zijn besmet met 96 miljoen symptomatische infecties, 2 miljoen gevallen van ernstige ziekte en meer dan 25,000 sterfgevallen per jaar in de wereld ^1,2. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) lopen naar schatting 3,9 miljard mensen risico op dengue; ~70% woont in landen in Azië-Pacific en voornamelijk in Zuidoost-Azië³. In 2019 bedroeg het aantal dengue-gevallen dat aan de WHO werd gemeld 4.2 miljoen, en Thailand droeg ten minste 136,000 dengue-gevallen en 144 overlijdensgevallen bij aan dengue-infectie⁴. De dengue-uitbraak in Thailand vindt plaats tijdens het regenseizoen, van april tot december, in zowel stedelijke als landelijke gebieden, vooral in het noordoostelijke gebied.

DENV-infecties hebben verschillende klinische manifestaties, variërend van subklinische symptomen, milde knokkelkoorts (DF) tot ernstige knokkelkoorts hemorragische koorts (DHF). Het belangrijkste kenmerk van een ernstige DHF-aandoening is een verhoogde vasculaire permeabiliteit, gevolgd door shock en orgaandisfunctie1. Het begrijpen van de moleculaire route die het vasculaire lek kan veroorzaken, is erg belangrijk bij het ontwikkelen van effectieve denguebehandelingen. Dengue niet-structureel eiwit 1 (NS1) is een uitgescheiden glycoproteïne tijdens vroege virusinfectie ^5,6 en functioneert als een cofactor voor virale RNA-replicatie⁷. NS1 kan de afgifte van cytokines veroorzaken en bijdragen aan vasculaire lekkage door zich te binden aan toll-like receptor 4 (TLR4) en endotheliale glycocalyx ^8,9. In vitro onderzoek heeft aangetoond dat NS1 interageert met endotheelcellen en apoptose induceert. Deze aandoening kan bijdragen aan endotheeldisfunctie en vasculair lek¹⁰. NS1-antigeenspiegels, gecorreleerd met seruminterleukine (IL)-10-spiegels, waren significant verhoogd bij patiënten met ernstige klinische^ziekte11. Dengue NS1 draagt ook bij aan de pathogenese van de ziekte door IL-10 te induceren en DENV-specifieke T-celresponsen te onderdrukken^12,13. Bovendien was dengue NS1-eiwit gerelateerd aan ernstige klinische ziekte, en de concentratie van NS1 > 600 ng ml-1 in de eerste 3 dagen van de ziekte werd geassocieerd met de ontwikkeling van DHF¹⁴.

De persistentie van het dengue NS1-antigeen bij patiënten met DHF kan worden gebruikt als een marker van ernstige dengue⁶. Er zijn verschillende methoden om NS1 in klinische monsters te detecteren, zoals enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) en de snelle test¹⁵. De gouden standaard voor het meten van de concentratie van NS1-eiwitten in een klinische setting is de ELISA-methode. De ELISA-methode is echter duur en vereist geschoold personeel en laboratoriumfaciliteiten¹⁶. Daarom is de ontwikkeling van technologie voor het detecteren en kwantificeren van NS1-eiwitten in de point-of-care-test (POCT) nog steeds aan de gang. In het afgelopen decennium zijn op papier gebaseerde immunoassays zoals lateral flow assays (LFA’s) en microfluïdische op papier gebaseerde analytische apparaten (μPAD’s) populair geworden als diagnostische tests vanwege hun eenvoud, snelheid, goedkoopheid en specificiteit 17,18,19. In een op papier gebaseerde immunoassay zijn verschillende labels gebruikt om signalen te genereren, zoals gouden nanodeeltjes (AuNP’s)²⁰, magnetische nanodeeltjes^21,22, kwantumdots²³ en fluorescentiematerialen ^24,25. AuNP’s zijn de meest voorkomende labels die worden gebruikt in op papier gebaseerde immunoassays vanwege hun lage productiekosten, productiegemak, stabiliteit en eenvoudige uitlezing. Momenteel worden laterale flow-assays (LFA’s) voor dengue NS1 beroemd gebruikt in de klinische setting^26,27. Conventionele LFA-labeldetectie maakt echter vaak gebruik van het blote oog en levert alleen kwalitatieve resultaten op.

In het afgelopen decennium zijn wereldwijd meer dan 5 miljard smartphones op grote schaal gebruikt en er is potentieel voor de ontwikkeling van draagbare detectie ^28,29. Smartphones hebben multifunctionele capaciteiten zoals ingebouwde fysieke sensoren, multi-core processors, digitale camera’s, USB-poorten, audiopoorten, draadloze en applicatiesoftware, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in verschillende biosensorplatforms³⁰. Bovendien maken draadloze technologieën het mogelijk om gegevens snel te verzenden en kunnen ze worden gebruikt voor real-time en on-site monitoring³¹. Mudanyali et al. combineerden de op papier gebaseerde immunoassay en smartphones om een draagbaar, apparatuurvrij, snel, goedkoop en gebruiksvriendelijk POCT-platform voor malaria, tuberculose en HIV³² te ontwikkelen. Ling et al. rapporteerden een laterale flowtest in combinatie met een smartphonecamera om alkalische fosfatase-activiteit in melk kwantitatief te detecteren³³. Hou et al. ontwikkelden ook een op smartphones gebaseerd, dual-modality beeldvormingssysteem voor kwantitatieve signalen van kleur of fluorescentie in de laterale flow-assay³⁴. Bovendien kan het gebruik van de smartphone als colorimetrische en kwantitatieve lezer de gevoeligheid verbeteren, terwijl het blote oog de aanwezigheid van het doel niet met vertrouwen kan melden³⁵.

De DEN-NS1-PAD 36,37,38 (hierna het apparaat genoemd) is een doorbraak in de denguediagnostiek en biedt een draagbare en efficiënte oplossing. Met behulp van met was bedrukte microfluïdische technologie op basis van papier, kwantificeert dit apparaat NS1 met hoge gevoeligheid en specificiteit door middel van beeldverwerking. Om de bruikbaarheid verder te vergroten, hebben we een gebruiksvriendelijke smartphone-app ontwikkeld voor colorimetrisch en kwantitatief lezen. Klinische validatie met behulp van patiëntmonsters uit Thaise ziekenhuizen onderstreept de onmiddellijke impact ervan op real-time patiëntbeoordeling. Onze innovatie markeert een cruciale vooruitgang in gestroomlijnd point-of-care-denguebeheer en belooft een revolutie teweeg te brengen in de diagnostiek in zorglandschappen met beperkte middelen.