Pappersbaserade enheter visar hög noggrannhet när det gäller att upptäcka asymtomatisk malaria

Pappersbaserade enheter visar hög noggrannhet när det gäller att upptäcka asymtomatisk malaria

Enheter som använder billiga pappersremsor har överträffat två andra testmetoder för att upptäcka malariainfektioner hos asymtomatiska människor i Ghana - ett diagnostiskt framsteg som skulle kunna påskynda ansträngningarna att eliminera sjukdomen, säger forskare.

Dessa enheter är bedrägligt enkla till utseendet och underlättar kemiska reaktioner mellan en droppe blod och molekyler inbäddade i lager av papper och förlitar sig på sofistikerade men bärbara instrument för att ställa diagnosen: en masspektrometrimätning av slutprodukten – i positiva fall, ett malariaspecifikt antigen som utlöser immunsystemet.

Normalt tar man provet till labbet, men nu tar vi till exempel labbet - jag tar det till Afrika, en av världens mest avlägsna delar, och gör analysen där. "

Abraham Badu-Tawiah, huvudförfattare till fältstudierapporten och professor i kemi och biokemi vid Ohio State University

"Frågan var, kan vi ha ett känsligt verktyg som kan levereras till människor oavsett var de befinner sig. Den statistiska analysen visade att vår metod är 90 % korrekt och jämförbar med ett PCR-test. Det är väldigt bra och vi kan leverera dessa resultat till personer som behöver det mest."

Forskningen publicerades nyligen iAnalytisk kemi.

Malaria orsakas av bett av myggor som sprider smittsamma parasiter. Världshälsoorganisationen uppskattar att 249 miljoner människor världen över hade malaria 2022 och cirka 608 000 dog av sjukdomen. Ett förebyggande vaccin är nu tillgängligt för barn i Ghana, där över en fjärdedel av befolkningen var smittad 2011, en ökning från 8,6 % år 2022.

Badu-Tawiah rapporterade denna uppfinning för första gången 2016, och beskrev en enhet för testning hemma eller på distans med hjälp av lätta strukturer som kan hålla biologiska prover stabila i månader.

Även om tekniken redan förfinas för att upptäcka andra sjukdomar, var malaria Badu-Tawiahs främsta bekymmer - särskilt eftersom ökat upptag av vaccinet minskar den naturliga immuniteten i befolkningen, vilket skapar behovet av omfattande övervakning av potentiella infektioner i Afrika söder om Sahara.

Sedan 2016 har Badu-Tawiahs labb skapat en 3D-automatiseringsprocess för att lagra antikroppar och joner i enheten och lagt till en multipripat molekyl för att förstärka den sammansatta signalen för detektering med masspektrometri, men enhetens tillverkningsprocessen är fortfarande manuell. Pappersark som utgör enhetens lager – belagda med vaxartade sektioner som inte penetrerar blodet – trycks individuellt och pressas ihop med dubbelhäftande tejp. 25 enheter får plats på 8×12 tums ark.

När det väl applicerats delas blodet in i fyra kamrar - två som positiva och negativa kontroller - och inducerar kemiska reaktioner när det passerar genom lagren. Kemisterna designade joniska sonder för att märka antikroppar som extraherar antigenet från blodet och placerar det permanent på papperet inom cirka 10 minuter. Efter en bufferttvätt skalas remsorna isär och analyseras framför en handhållen masspektrometer.

"Spektrometern mäter massan av föreningen av intresse. Molekylvikten talar om för oss om vi ser en viss massa, det betyder att malariaantigenet finns i ditt blod. Det är ett ja. Om det inte finns där, är det ett nej," sa Badu-Tawiah.

Resultaten är tillgängliga på cirka 30 minuter, men använda enheter utan kylning kan också lagras på obestämd tid för senare analys. Den höga stabiliteten gör att apparaterna efter tvättfasen kan överföras i vanliga kuvert – en förmåga som förbinder personer med asymtomatiska infektioner i Afrikas mest avlägsna regioner till resursrika centra på andra håll i världen, utan traditionella kylkedjebegränsningar.

Under fem veckor 2022 i Ghana testade Badu-Tawiah enhetens effektivitet hos 266 asymtomatiska frivilliga och jämförde dess resultat med tre andra vanligaste testmetoder för nuvarande malariadiagnostik: mikroskopisk undersökning av blodkroppar, kommersiellt tillgängliga snabba diagnostiska tester och PCR (polymeraskedjereaktion).

En nyckelfaktor för att testa människor utan symtom är att Badu-Tawiah fann att tätheten av parasiter i deras blod sannolikt är låg när de är infekterade. Detta innebär att ett mycket känsligt test krävs för att upptäcka deras närvaro.

Jämförelsen visade att mikroskopi, guldstandarden på afrikanska sjukhus, hade de minst exakta resultaten, som endast indikerade 24 positiva fall, och snabba diagnostiska tester identifierade 63 infektioner. PCR identifierade 142 positiva fall och de pappersbaserade enheterna identifierade 184 positiva.

"Mikroskopi fungerar bra när personen är sjuk och på sjukhuset. Här har vi varit i samhällen där endast 24 visades positiva med mikroskopi. Det här testet säger oss att majoriteten är negativa. Det här är ett stort problem", säger Badu-Tawiah. "Med en mer komplex metod som PCR är nästan 50 % av människorna sjuka, och ändå kan mikroskopi inte berätta för oss. Och hos personer med mycket låg parasitdensitet misslyckas snabba diagnostiska tester totalt - de kan bara upptäcka högre parasitdensiteter."

Att beräkna känsligheten för varje metod - antalet sanna positiva dividerat med sanna positiva plus falskt negativa - visade att de pappersbaserade enheterna uppnådde en känslighet på 96,5 %, jämfört med 17 % för mikroskopi och 43 % för snabba diagnostiska tester.

Fyrtiosju av 266 prover gav ett falskt positivt resultat - och alla bekräftades negativa genom mikroskopi. PCR, ansett som det mest exakta testet, diagnostiserade också dessa personer som negativa.

Badu-Tawiah sa att de falska positiva resultaten orsakades av olika viskositet hos blodproverna, vilket ledde till omfördelning av blodkanaler under tvättfasen. Teamet modifierade enheten för att ta hänsyn till denna möjlighet.

Badu-Tawiah har inlett diskussioner med Ghanas regering om att implementera ett testprogram.

"Vi sa till folk att detta var möjligt 2016 och vi gick faktiskt in på fältet och testade det. Det är mycket lovande", sa han. "Teknik kommer att gå hand i hand med vaccination, och du behöver ett känsligt verktyg för att leverera."

Han arbetar också med läkare i Ohio State för att anpassa apparaterna för att upptäcka risker för tjocktarmscancer och akut pankreatit.

"Jag har hammaren nu och jag kan slå olika spikar," sa han. "Vi behöver bara ändra antikroppen för att göra den användbar för andra sjukdomar."

Detta arbete stöddes av National Institute of Allergy and Infectious Diseases. Medförfattare inkluderar Ayesha Seth, Suji Lee, Girish Muralikrishnan, Edgar Garcia och James Odei från Ohio State och Abdul-Hakim Mutala och Kingsley Badu från University of Kwame Nkrumah University and Technology i Ghana.

Källor: