מענה לצרכים דחופים לאבחון דנגי, כאן אנו מציגים מכשיר אנליטי מבוסס נייר דנגי NS1 משולב באפליקציית סמארטפון (DEN-NS1-PAD) לכימות ריכוז האנטיגן של דנגי NS1 בדגימות סרום / דם קליניות. חדשנות זו משפרת את ניהול הדנגה על ידי סיוע בקבלת החלטות קליניות במסגרות בריאות שונות, אפילו מוגבלות במשאבים.
זיהום בנגיף דנגי (DENV), המועבר על ידי יתושי אדס , הוא דאגה מרכזית לבריאות הציבור במדינות טרופיות וסובטרופיות. עם שכיחות שנתית של כ-10 מיליון מקרים ו-20,000-25,000 מקרי מוות, במיוחד בקרב ילדים, יש צורך דחוף בכלי אבחון מעשיים. נוכחותו של חלבון לא מבני של דנגי 1 (NS1) במהלך זיהום מוקדם נקשרה לשחרור ציטוקינים, דליפת כלי דם ותפקוד לקוי של האנדותל, מה שהופך אותו לסמן פוטנציאלי לדנגה חמורה.
בדיקות חיסוניות מבוססות נייר כגון מבחני זרימה לרוחב (LFAs) והתקנים אנליטיים מבוססי נייר מיקרופלואידים (PADs) צברו פופולריות כבדיקות אבחון בשל פשטותן, מהירותן, זולותן, ספציפיות וקלות הפרשנות שלהן. עם זאת, בדיקות חיסוניות קונבנציונליות מבוססות נייר לזיהוי דנגי NS1 מסתמכות בדרך כלל על בדיקה חזותית, ומניבות תוצאות איכותיות בלבד. כדי להתמודד עם מגבלה זו ולשפר את הרגישות, הצענו בדיקת זיהוי דנגי NS1 ניידת ביותר במכשיר אנליטי מבוסס נייר (PAD), כלומר, DEN-NS1-PAD, המשלב יישום סמארטפון כקורא צבעוני וכמותי. מערכת הפיתוח מאפשרת כימות ישיר של ריכוזי NS1 בדגימות קליניות.
דגימות סרום ודם שהתקבלו מחולים שימשו להדגמת ביצועי אב הטיפוס של המערכת. התוצאות התקבלו באופן מיידי וניתן להשתמש בהן להערכה קלינית, הן במתקני בריאות מאובזרים היטב והן במסגרות מוגבלות במשאבים. שילוב חדשני זה של בדיקה חיסונית מבוססת נייר עם יישום טלפון חכם מציע גישה מבטיחה לזיהוי וכימות משופרים של אנטיגן דנגי NS1. על ידי הגברת הרגישות מעבר ליכולות של עין בלתי, מערכת זו טומנת בחובה פוטנציאל גדול לשיפור קבלת ההחלטות הקליניות בניהול דנגי, במיוחד באזורים מרוחקים או מוחלשים.
זיהום בנגיף דנגי (DENV) הוא המחלה המועברת על ידי יתושים המתפשטת במהירות הגבוהה ביותר1, ויותר מ -390 מיליון אנשים נגועים ב -96 מיליון זיהומים סימפטומטיים, 2 מיליון מקרים של מחלה קשה, ויותר מ -25,000 מקרי מוות בשנה מתרחשים בעולם 1,2. על פי ארגון הבריאות העולמי (WHO), כ -3.9 מיליארד אנשים נמצאים בסיכון לדנגה; ~70% חיים במדינות אסיה פסיפיק ובעיקר בדרום מזרח אסיה3. בשנת 2019, מספר מקרי הדנגה שדווחו לארגון הבריאות העולמי היה 4.2 מיליון, ותאילנד תרמה לפחות 136,000 מקרי דנגי ו -144 מקרי מוות מזיהום דנגי4. התפרצות הדנגה בתאילנד מתרחשת בעונה הגשומה, מאפריל עד דצמבר, באזורים עירוניים וכפריים כאחד, במיוחד באזור הצפון-מזרחי.
לזיהומים ב- DENV יש ביטויים קליניים שונים החל מתסמינים תת-קליניים, קדחת דנגי קלה (DF) ועד קדחת דימומית חמורה של דנגה (DHF). המאפיין העיקרי של מצב DHF חמור הוא חדירות כלי דם מוגברת ואחריה הלם ותפקוד לקוי של איברים1. הבנת המסלול המולקולרי שיכול לגרום לדליפת כלי הדם חשובה מאוד בפיתוח טיפולי דנגי יעילים. דנגי חלבון לא מבני 1 (NS1) הוא גליקופרוטאין מופרש במהלך זיהום מוקדםבנגיף 5,6, והוא מתפקד כקופקטור לשכפול RNA נגיפי7. NS1 יכול לגרום לשחרור ציטוקינים ולתרום לדליפה וסקולרית על ידי קשירה לקולטן דמוי אגרה 4 (TLR4) וגליקוקליקסאנדותל 8,9. מחקרי מבחנה הראו כי NS1 מקיים אינטראקציה עם תאי אנדותל וגורם לאפופטוזיס. מצב זה יכול לתרום לתפקוד לקוי של האנדותל ולדליפת כלי דם10. רמות האנטיגן NS1, בקורלציה עם רמות אינטרלוקין בסרום (IL)-10, עלו באופן משמעותי בחולים עם מחלה קלינית קשה11. דנגי NS1 תורם גם לפתוגנזה של מחלות על ידי גרימת IL-10 ודיכוי תגובות תאי T ספציפיות ל- DENV12,13. בנוסף, חלבון דנגי NS1 היה קשור למחלה קלינית קשה, והריכוז של NS1 > 600 ng mL-1 בשלושת הימים הראשונים של המחלה היה קשור להתפתחות של DHF14.
ההתמדה של אנטיגן דנגי NS1 בחולים עם DHF יכול לשמש סמן של דנגיחמור 6. ישנן מספר שיטות לזיהוי NS1 בדגימות קליניות כגון בדיקת אימונוסורבנט מקושרת אנזים (ELISA) והבדיקה המהירה15. תקן הזהב למדידת ריכוז חלבוני NS1 במסגרת קלינית הוא שיטת ELISA. עם זאת, שיטת ELISA היא יקרה ודורשת כוח אדם מיומן, ומתקני מעבדה16. לכן, פיתוח הטכנולוגיה לגילוי וכימות חלבוני NS1 במבחן נקודת הטיפול (POCT) עדיין נמשך. בעשור האחרון, בדיקות חיסוניות מבוססות נייר כגון מבחני זרימה צידית (LFAs) והתקנים אנליטיים מבוססי נייר מיקרופלואידים (μPADs) הפכו פופולריים כבדיקות אבחון בגלל הפשטות, המהירות, הזולות והספציפיות שלהם 17,18,19. במערכת חיסונית מבוססת נייר, מספר תוויות שימשו ליצירת אותות, כגון ננו-חלקיקי זהב (AuNPs)20, ננו-חלקיקים מגנטיים21,22, נקודות קוונטיות23 וחומרים פלואורסצנטיים24,25. AuNPs הן התוויות הנפוצות ביותר המשמשות בבדיקות חיסוניות מבוססות נייר בשל עלות הייצור הזולה שלהן, קלות הייצור, היציבות והקריאה הפשוטה שלהן. נכון לעכשיו, בדיקות זרימה לרוחב (LFAs) עבור דנגי NS1 משמשים המפורסם בסביבה הקלינית26,27. עם זאת, זיהוי תוויות LFA קונבנציונלי משתמש בדרך כלל בעין בלתי ומספק רק תוצאות איכותיות.
בעשור האחרון, יותר מ -5 מיליארד טלפונים חכמים היו בשימוש נרחב ברחבי העולם, ויש פוטנציאל לפיתוח זיהוי נייד28,29. לסמארטפונים יש יכולות רב-תכליתיות כגון חיישנים פיזיים מובנים, מעבדים מרובי ליבות, מצלמות דיגיטליות, יציאות USB, יציאות שמע, אלחוט ותוכנות יישומים, מה שהופך אותם למתאימים לשימוש בפלטפורמות ביו-חיישנים שונות30. בנוסף, טכנולוגיות אלחוטיות מאפשרות שליחת נתונים במהירות וניתן להשתמש בהן לניטור בזמן אמת ובאתר הלקוח31. Mudanyali et al. שילבו את החיסון מבוסס הנייר ואת הסמארטפונים כדי לפתח פלטפורמת POCT ניידת, ללא ציוד, מהירה, בעלות נמוכה וידידותית למשתמש עבור מלריה, שחפת ו- HIV32. לינג ועמיתיו דיווחו על בדיקת זרימה רוחבית בשילוב עם מצלמת סמארטפון כדי לזהות פעילות פוספטאז אלקליין בחלב באופן כמותי33. Hou et al. פיתחו גם מערכת הדמיה דו-מודאלית מבוססת סמארטפון עבור אותות כמותיים מצבע או פלואורסצנטיות בבדיקת הזרימה הצידית34. בנוסף, שימוש בסמארטפון כקורא קולורימטרי וכמותי יכול לשפר את הרגישות בעוד שהעין הבלתי אינה יכולה לדווח בביטחון על נוכחות המטרה35.
מציג פריצת דרך באבחון דנגי, DEN-NS1-PAD 36,37,38 (המכונה המכשיר להלן) מציע פתרון נייד ויעיל. באמצעות טכנולוגיה מבוססת נייר מיקרופלואידי המודפס בשעווה, התקן זה מכמת את NS1 עם רגישות גבוהה וספציפיות באמצעות עיבוד תמונה. כדי לשפר עוד יותר את השירות שלה, פיתחנו אפליקציית סמארטפון ידידותית למשתמש לקריאה צבעונית וכמותית. תיקוף קליני באמצעות דגימות מטופלים מבתי חולים תאילנדיים מדגיש את השפעתו המיידית על הערכת המטופלים בזמן אמת. החדשנות שלנו מסמנת התקדמות מרכזית בניהול יעיל של נקודות טיפול, ומבטיחה לחולל מהפכה בתחום האבחון בנופים של שירותי בריאות מוגבלים במשאבים.
אחד הפרמטרים החשובים לתכנון עבור מערכת קוראים מבוססת סמארטפון הוא היכולת לספק עיבוד הדמיה ניתן לשחזור של דגימות. במחקר זה, לשם פשטות ונוחות, התמונות צולמו משלושה מותגי סמארטפונים שונים עם מצלמות 12-13 מגה פיקסל ללא שימוש בקופסת הדמיה או אביזרים. תנאים משתנים של לכידת תמונה, כגון רזולוציית ה?…
The authors have nothing to disclose.
M.H.P. מודה בהכרת תודה לקרן המחקר של Universitas Islam Indonesia (UII). המחברים מודים למר Nutchanon Ninyawee על מומחיותו רבת הערך וסיועו בפיתוח האפליקציה הניידת ותרומתו לכתב היד. יתר על כן, המחברים מעריכים את התמיכה הכספית הניתנת על ידי תאילנד מדע מחקר וחדשנות (TSRI), קרן מחקר בסיסית: שנת הכספים 2023 (פרויקט מס ‘. FRB660073/0164) במסגרת תוכנית בריאות חכמה של האוניברסיטה הטכנולוגית של המלך מונגקוט תונבורי.
Materials | |||
0.1 M phosphate-buffered saline (PBS, pH 7.2) | |||
BBS containing 0.1% Tween 20, 10% sucrose, and 1% casein | the conjugate area treatment and blocking buffer | ||
Borate buffered saline (BBS) (25 mM sodium borate and 150 mM sodium chloride at pH 8.2) supplemented with 1% BSA | the washing buffer during the conjugation process AuNPs with the antibody | ||
Boric acid | Merck | 10043-35-3 | |
Bovine serum albumin fraction V (BSA) | PAA Lab GmbH (Germany) | K41-001 | |
Casein | Merck | 9005-46-3 | |
Chromatography paper Grade 2 | GE Healthcare | 3002-911 | |
Clear laminate film | 3M (Stationery shops) | ||
Disodium hydrogen phosphate | Merck | 7558-79-4 | |
Double tape side | Stationery shops | ||
Goat anti-mouse IgG antibody | MyBiosource (USA) | MBS435013 | |
Gold nanoparticles (40 nm) | Serve Science Co., Ltd. (Thailand) | ||
Human IgG polyclonal antibody | Merck | AG711-M | |
Mouse dengue NS1 monoclonal antibody | MyBiosource (USA) | MBS834415 | |
Mouse dengue NS1 monoclonal antibody | MyBiosource (USA) | MBS834236 | |
NS1 serotype 2 antigens | MyBiosource (USA) | MBS 568697 | |
PBS 1X containing 0.1% Tween 20 was used as t | elution buffer | ||
Plastic backing card 10×30 cm | Pacific Biotech Co., Ltd. (Thailand) | ||
Poly-L-lysine (PLL) | Sigma Aldrich | P4832 | |
Potassium Chloride | Merck | 104936 | |
Potassium monophosphate | Merck | 104877 | |
Sodium Chloride | Merck | 7647-14-5 | |
Sodium tetraborate | Sigma Aldrich | 1303-96-4 | |
Sucrose | Merck | 57-50-1 | |
Tween 20 | Sigma Aldrich | 9005-64-5 | |
Instruments | |||
CytationTM 5 multimode reader | BioTek | ||
Mobile phones | Huawei Y7, iPhone 11, Samsung a20 | ||
Photo scanner | Epson Perfection V30 | ||
Oven | Memmert | ||
Wax printer | Xerox ColorQube 8880-PS | ||
Software | |||
Could AutoML Vision Object Detection documentation | Google Cloud | ||
ImageJ | National Institute of Health, Bethesda, MD, USA | ||
Inkscape 0.91 Software |