Op papier gebaseerde apparaten vertonen een hoge nauwkeurigheid bij het detecteren van asymptomatische malaria

Op papier gebaseerde apparaten vertonen een hoge nauwkeurigheid bij het detecteren van asymptomatische malaria

Apparaten die goedkope papieren strips gebruiken, hebben beter gepresteerd dan twee andere testmethoden voor het detecteren van malaria-infecties bij asymptomatische mensen in Ghana - een diagnostische vooruitgang die de inspanningen om de ziekte te elimineren zou kunnen versnellen, zeggen onderzoekers.

De apparaten zien er bedrieglijk eenvoudig uit, faciliteren chemische reacties tussen een druppel bloed en moleculen ingebed in lagen papier en vertrouwen op geavanceerde maar draagbare instrumenten om de diagnose te stellen: een massaspectrometrische meting van het eindproduct – in positieve gevallen een malaria-specifiek antigeen dat het immuunsysteem activeert.

Normaal gesproken breng je het monster naar het laboratorium, maar nu nemen we het laboratorium bijvoorbeeld mee. Ik neem het mee naar Afrika, een van de meest afgelegen delen van de wereld, en voer de analyse daar uit. “

Abraham Badu-Tawiah, hoofdauteur van het veldstudierapport en hoogleraar scheikunde en biochemie aan de Ohio State University

"De vraag was: kunnen we een gevoelig hulpmiddel hebben dat aan mensen kan worden geleverd, ongeacht waar ze zich bevinden. Uit de statistische analyse is gebleken dat onze methode 90% nauwkeurig is en vergelijkbaar is met een PCR-test. Het is erg goed en we kunnen deze resultaten leveren aan mensen die dit het meest nodig hebben."

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd inAnalytische chemie.

Malaria wordt veroorzaakt door de beet van muggen die besmettelijke parasieten verspreiden. De Wereldgezondheidsorganisatie schat dat in 2022 wereldwijd 249 miljoen mensen malaria hadden en dat ongeveer 608.000 mensen aan de ziekte stierven. Er is nu een preventief vaccin beschikbaar voor kinderen in Ghana, waar in 2011 meer dan een kwart van de bevolking besmet was, tegen 8,6% in 2022.

Badu-Tawiah rapporteerde deze uitvinding voor het eerst in 2016, waarin hij een apparaat beschreef voor testen thuis of op afstand, waarbij gebruik werd gemaakt van lichtgewicht structuren die biologische monsters maandenlang stabiel konden houden.

Hoewel de technologie al wordt verfijnd om andere ziekten op te sporen, was malaria de grootste zorg van Badu-Tawiah – vooral omdat de toenemende opname van het vaccin de natuurlijke immuniteit van de bevolking vermindert, waardoor de behoefte ontstaat aan wijdverbreid toezicht op mogelijke infecties in Afrika bezuiden de Sahara.

Sinds 2016 heeft het laboratorium van Badu-Tawiah een 3D-automatiseringsproces ontwikkeld om antilichamen en ionen in het apparaat op te slaan en een vermenigvuldigd molecuul toegevoegd om het samengestelde signaal te versterken voor detectie door massaspectrometrie, maar het fabricageproces van het apparaat is nog steeds handmatig. Papieren vellen waaruit de lagen van het apparaat bestaan ​​– bedekt met wasachtige gedeelten die niet in het bloed doordringen – worden individueel bedrukt en samengedrukt met dubbelzijdig plakband. Op de 8×12 inch vellen passen 25 apparaten.

Eenmaal aangebracht, wordt het bloed in vier kamers verdeeld (twee als positieve en negatieve controles) en veroorzaakt het chemische reacties terwijl het door de lagen stroomt. De scheikundigen ontwierpen ionische sondes om antilichamen te labelen die het antigeen uit het bloed halen en dit binnen ongeveer 10 minuten permanent op het papier te plaatsen. Na een bufferwassing worden de strips uit elkaar gehaald en geanalyseerd voor een draagbare massaspectrometer.

"De spectrometer meet de massa van de stof in kwestie. Het molecuulgewicht vertelt ons of we een bepaalde massa zien, dat betekent dat het malaria-antigeen in je bloed zit. Dat is een ja. Als het er niet is, is het een nee", zei Badu-Tawiah.

De resultaten zijn binnen ongeveer 30 minuten beschikbaar, maar gebruikte apparaten zonder koeling kunnen ook voor onbepaalde tijd worden bewaard voor latere analyse. De hoge stabiliteit betekent dat de apparaten na de wasfase in gewone enveloppen kunnen worden overgedragen - een mogelijkheid die mensen met asymptomatische infecties in de meest afgelegen regio's van Afrika verbindt met hulpbronnenrijke centra elders in de wereld, zonder traditionele beperkingen op het gebied van de koudeketen.

Gedurende vijf weken in 2022 testte Badu-Tawiah in Ghana de effectiviteit van het apparaat bij 266 asymptomatische vrijwilligers en vergeleek de resultaten met drie andere meest gebruikelijke testmethoden voor het huidige diagnostisch gebruik van malaria: microscopisch onderzoek van bloedcellen, in de handel verkrijgbare snelle diagnostische tests en PCR (polymerasekettingreactie).

Een sleutelfactor bij het testen van mensen zonder symptomen is dat Badu-Tawiah ontdekte dat de dichtheid van parasieten in hun bloed waarschijnlijk laag is als ze besmet zijn. Dit betekent dat een zeer gevoelige test nodig is om hun aanwezigheid te detecteren.

Uit de vergelijking bleek dat microscopie, de gouden standaard in Afrikaanse ziekenhuizen, de minst nauwkeurige resultaten opleverde: slechts 24 positieve gevallen, en snelle diagnostische tests identificeerden 63 infecties. PCR identificeerde 142 positieve gevallen en de op papier gebaseerde apparaten identificeerden 184 positieve gevallen.

"Microscopie werkt goed als de persoon ziek is en in het ziekenhuis ligt. Hier zijn we in gemeenschappen geweest waar slechts 24 mensen positief waren gebleken met microscopie. Deze test vertelt ons dat de meerderheid negatief is. Dit is een groot probleem", zei Badu-Tawiah. "Met behulp van een complexere methode als PCR is bijna 50% van de mensen ziek, en toch kan microscopie ons niets vertellen. En bij mensen met een zeer lage parasietdichtheid falen snelle diagnostische tests jammerlijk - ze kunnen alleen hogere parasietdichtheden detecteren."

Het berekenen van de gevoeligheid van elke methode – het aantal echte positieven gedeeld door echte positieven plus fout-negatieven – toonde aan dat de op papier gebaseerde apparaten een gevoeligheid bereikten van 96,5%, vergeleken met 17% voor microscopie en 43% voor snelle diagnostische tests.

Zevenenveertig van de 266 monsters gaven een vals-positief resultaat - en ze werden allemaal negatief bevestigd door microscopie. PCR, beschouwd als de meest nauwkeurige test, diagnosticeerde deze mensen ook als negatief.

Badu-Tawiah zei dat de vals-positieve resultaten werden veroorzaakt door de verschillende viscositeit van de bloedmonsters, wat leidde tot herverdeling van de bloedkanalen tijdens de wasfase. Het team heeft het apparaat aangepast om rekening te houden met deze mogelijkheid.

Badu-Tawiah is gesprekken begonnen met de regering van Ghana over de implementatie van een testprogramma.

"We vertelden mensen dat dit mogelijk was in 2016 en we gingen het veld in om het te testen. Het is veelbelovend", zei hij. “Technologie zal hand in hand gaan met vaccinatie, en daarvoor heb je een gevoelig instrument nodig.”

Hij werkt ook samen met artsen uit de staat Ohio om de apparaten aan te passen om risico's op darmkanker en acute pancreatitis te detecteren.

“Ik heb nu de hamer en ik kan verschillende spijkers inslaan”, zei hij. “We hoeven alleen maar het antilichaam te veranderen om het toepasbaar te maken voor andere ziekten.”

Dit werk werd ondersteund door het National Institute of Allergy and Infectious Diseases. Co-auteurs zijn onder meer Ayesha Seth, Suji Lee, Girish Muralikrishnan, Edgar Garcia en James Odei van de staat Ohio en Abdul-Hakim Mutala en Kingsley Badu van de Universiteit van Kwame Nkrumah University and Technology in Ghana.

Bronnen: