Papirbaserte enheter viser høy nøyaktighet når det gjelder å oppdage asymptomatisk malaria

Papirbaserte enheter viser høy nøyaktighet når det gjelder å oppdage asymptomatisk malaria

Enheter som bruker billige papirstrimler har utkonkurrert to andre testmetoder for å oppdage malariainfeksjoner hos asymptomatiske mennesker i Ghana - et diagnostisk fremskritt som kan akselerere innsatsen for å eliminere sykdommen, sier forskere.

Utrolig enkle i utseendet letter enhetene kjemiske reaksjoner mellom en dråpe blod og molekyler innebygd i lag med papir og er avhengige av sofistikerte, men bærbare instrumenter for å stille diagnosen: en massespektrometrimåling av sluttproduktet – i positive tilfeller, et malariaspesifikt antigen som utløser immunsystemet.

Normalt tar du prøven til laboratoriet, men nå tar vi for eksempel laboratoriet - jeg tar den med til Afrika, en av de mest avsidesliggende delene av verden, og gjør analysen akkurat der. "

Abraham Badu-Tawiah, hovedforfatter av feltstudierapporten og professor i kjemi og biokjemi ved Ohio State University

"Spørsmålet var om vi kan ha et sensitivt verktøy som kan leveres til folk uavhengig av hvor de er. Den statistiske analysen viste at metoden vår er 90 % nøyaktig og sammenlignbar med en PCR-test. Den er veldig bra og vi kan levere disse resultatene til folk som trenger det mest."

Forskningen ble nylig publisert iAnalytisk kjemi.

Malaria er forårsaket av bitt av mygg som sprer smittsomme parasitter. Verdens helseorganisasjon anslår at 249 millioner mennesker over hele verden hadde malaria i 2022 og om lag 608 000 døde av sykdommen. En forebyggende vaksine er nå tilgjengelig for barn i Ghana, hvor over en fjerdedel av befolkningen ble smittet i 2011, opp fra 8,6 % innen 2022.

Badu-Tawiah rapporterte først denne oppfinnelsen i 2016, og beskrev en enhet for testing hjemme eller eksternt ved bruk av lette strukturer som kan holde biologiske prøver stabile i flere måneder.

Selv om teknologien allerede blir forfinet for å oppdage andre sykdommer, var malaria Badu-Tawiahs hovedanliggende – spesielt ettersom økende opptak av vaksinen reduserer naturlig immunitet i befolkningen, noe som skaper behov for omfattende overvåking av potensielle infeksjoner i Afrika sør for Sahara.

Siden 2016 har Badu-Tawiahs laboratorium opprettet en 3D-automatiseringsprosess for å lagre antistoffer og ioner i enheten og lagt til et multipripert molekyl for å forsterke det sammensatte signalet for deteksjon ved massespektrometri, men enhetens produksjonsprosess er fortsatt manuell. Papirark som utgjør enhetens lag – belagt med voksaktige deler som ikke trenger gjennom blodet – er individuelt trykt og presset sammen med dobbeltsidig tape. 25 enheter passer på 8×12 tommers ark.

Når blodet er påført, deles det inn i fire kamre - to som positive og negative kontroller - og induserer kjemiske reaksjoner når det passerer gjennom lagene. Kjemikerne designet ioniske prober for å merke antistoffer som trekker ut antigenet fra blodet og plasserer det permanent på papiret innen ca. 10 minutter. Etter en buffervask trekkes strimlene fra hverandre og analyseres foran et håndholdt massespektrometer.

"Spektrometeret måler massen til forbindelsen av interesse. Molekylvekten forteller oss om vi ser en viss masse, det betyr at malariaantigenet er i blodet ditt. Det er et ja. Hvis det ikke er der, er det et nei," sa Badu-Tawiah.

Resultatene er tilgjengelige på omtrent 30 minutter, men brukte enheter uten kjøling kan også lagres på ubestemt tid for senere analyse. Den høye stabiliteten gjør at enhetene etter vaskefasen kan overføres i vanlige konvolutter – en evne som kobler mennesker med asymptomatiske infeksjoner i de mest avsidesliggende områdene av Afrika til ressursrike sentre andre steder i verden, uten tradisjonelle kjølekjedebegrensninger.

Over fem uker i 2022 i Ghana testet Badu-Tawiah enhetens effektivitet hos 266 asymptomatiske frivillige og sammenlignet resultatene med tre andre vanligste testmetoder for gjeldende malariadiagnostisk bruk: mikroskopisk undersøkelse av blodceller, kommersielt tilgjengelige raske diagnostiske tester og PCR (polymerasekjedereaksjon).

En nøkkelfaktor for å teste mennesker uten symptomer er at Badu-Tawiah fant ut at tettheten av parasitter i blodet deres sannsynligvis vil være lav når de er smittet. Dette betyr at en svært sensitiv test er nødvendig for å oppdage deres tilstedeværelse.

Sammenligningen viste at mikroskopi, gullstandarden i afrikanske sykehus, hadde de minst nøyaktige resultatene, og indikerte bare 24 positive tilfeller, og raske diagnostiske tester identifiserte 63 infeksjoner. PCR identifiserte 142 positive tilfeller og de papirbaserte enhetene identifiserte 184 positive.

"Mikroskopi fungerer bra når personen er syk og på sykehus. Her har vi vært i lokalsamfunn der bare 24 ble vist positive med mikroskopi. Denne testen forteller oss at flertallet er negative. Dette er et stort problem," sa Badu-Tawiah. "Ved å bruke en mer kompleks metode som PCR, er nesten 50 % av folk syke, og likevel kan mikroskopi ikke fortelle oss det. Og hos personer med svært lav parasitttetthet mislykkes raske diagnostiske tester - de kan bare oppdage høyere parasitttettheter."

Beregning av sensitiviteten til hver metode – antall sanne positive delt på sanne positive pluss falske negative – viste at de papirbaserte enhetene oppnådde en sensitivitet på 96,5 %, sammenlignet med 17 % for mikroskopi og 43 % for raske diagnostiske tester.

Førtisyv av 266 prøver ga et falskt positivt resultat - og alle ble bekreftet negative ved mikroskopi. PCR, ansett som den mest nøyaktige testen, diagnostiserte også disse personene som negative.

Badu-Tawiah sa at de falske positive resultatene var forårsaket av ulik viskositet av blodprøvene, noe som førte til omfordeling av blodkanaler under vaskefasen. Teamet modifiserte enheten for å ta høyde for denne muligheten.

Badu-Tawiah har startet diskusjoner med regjeringen i Ghana om å implementere et testprogram.

"Vi fortalte folk at dette var mulig i 2016, og vi gikk faktisk inn i feltet og testet det. Det er veldig lovende," sa han. "Teknologi vil gå hånd i hånd med vaksinasjon, og du trenger et sensitivt verktøy for å levere."

Han jobber også med klinikere i Ohio State for å tilpasse enhetene for å oppdage risiko for tykktarmskreft og akutt pankreatitt.

"Jeg har hammeren nå, og jeg kunne slå forskjellige spiker," sa han. "Vi trenger bare å endre antistoffet for å gjøre det gjeldende for andre sykdommer."

Dette arbeidet ble støttet av National Institute of Allergy and Infectious Diseases. Medforfattere inkluderer Ayesha Seth, Suji Lee, Girish Muralikrishnan, Edgar Garcia og James Odei fra Ohio State og Abdul-Hakim Mutala og Kingsley Badu fra University of Kwame Nkrumah University and Technology i Ghana.

Kilder: