加州大学洛杉矶分校的研究人员团队推出了一种深度学习增强型纸基垂直流检测 (VFA)，能够以高灵敏度检测心脏肌钙蛋白 I (cTnI)，这是即时医疗诊断的一项重大进步。这种创新检测方法有望使快速可靠的心脏诊断变得普及，尤其是在资源有限的环境中。

纸基传感器可在 15 分钟内快速进行心脏诊断

心血管疾病 (CVD) 仍然是全球死亡的主要原因，每年导致超过 1900 万人死亡。早期发现急性心肌梗塞 (AMI)(通常称为心脏病发作)对于改善患者治疗效果和降低死亡率至关重要。然而，传统实验室诊断设备的高成本和基础设施要求往往限制了人们获得高质量护理的机会，尤其是在低收入和中等收入地区。

为了应对这一挑战，加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一种高灵敏度垂直流检测 (hs-VFA)，将传统实验室检测的精确度与即时诊断技术的便利性和可负担性相结合。他们的研究成果在最近发表在ACS Nano上的一篇论文中进行了详细介绍，表明这一创新平台可以在短短 15 分钟内使用少量血清样本准确量化 cTnI 水平，使其成为紧急情况或偏远地区快速诊断的理想选择。

该平台的核心在于将深度学习算法与尖端纳米粒子扩增化学相结合。hs-VFA 系统使用延时成像和计算分析来增强对 cTnI(心脏损伤的关键生物标志物)的检测，实现低至每毫升 0.2 皮克 (pg/mL) 的检测限。这种灵敏度水平远远超过目前的即时诊断设备，满足高灵敏度肌钙蛋白检测的临床要求，这对于 AMI 的早期诊断至关重要。

“我们很高兴推出这种低成本、便携的解决方案，它弥补了中央实验室诊断和即时检测之间的差距，”这项研究的资深作者、加州大学洛杉矶分校 Volgenau 工程创新主席 Aydogan Ozcan 教授说道。“我们的纸质平台由深度学习驱动，为医院目前使用的笨重、昂贵的仪器提供了有效的替代方案。它有望为全球医疗资源匮乏的人群提供先进的心脏诊断技术。”

hs-VFA 系统分为两个阶段：初始免疫测定阶段，随后是信号放大阶段。在免疫测定阶段，该测试使用金纳米粒子结合物与血清中的 cTnI 结合。在信号放大阶段，金离子被纳米粒子催化，导致颜色变化，并被定制设计的便携式读取器捕获。然后，深度学习算法分析这些延时图像，以提高 cTnI 检测的灵敏度和准确性。

在使用加标血清样本和临床血清样本进行的严格测试中，hs-VFA 表现出高精度，变异系数 (CV) 小于 7%。它还与金标准实验室分析仪表现出很强的相关性。重要的是，hs-VFA 还表现出广泛的动态范围，涵盖 cTnI 浓度从 0.2 pg/mL 到 100 纳克/毫升 (ng/mL)。这个范围使其不仅适用于诊断心脏病发作，也适用于长期监测高危患者。

该平台的成本效益是另一个主要亮点。纸质检测每次测试成本不到 4 美元，而使用 Raspberry Pi 计算机和现成组件设计的便携式读取器每台成本约为 170 美元。这种经济实惠对于在资源匮乏的环境中扩大获得高质量诊断的机会至关重要，因为这些环境中可能无法获得传统的实验室基础设施。

“我们的目标是设计一个不仅可以在医院使用，还可以在诊所、药房甚至救护车上使用的系统，”这项研究的第一作者、加州大学洛杉矶分校的博士后研究员 Gyeo-Re Han 博士说。“在不同环境下快速检测和量化肌钙蛋白水平的能力可以更快、更有效地治疗心脏病患者，特别是在关键的院前护理阶段。”

除了心脏诊断之外，研究人员认为 hs-VFA 平台还可以用于其他关键的低丰度生物标记物，从而将其潜在应用范围扩大到各种医学诊断领域。该平台的便携性、简单性和可负担性使其成为许多疾病集中实验室检测的可行替代方案，为改善全球健康状况带来了希望。

这项工作是由加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系 (Ozcan 实验室)、生物工程系 (Di Carlo 实验室) 和加州纳米系统研究所 (CNSI) 合作完成的。