방법 논문

뎅기열 NS1 항원의 비색 및 정량적 검출을 위해 스마트폰 애플리케이션과 결합된 휴대용 종이 기반 면역분석

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DOI:

10.3791/66130

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2024년 1월 26일

 ,  ,  , 
1Department of Pharmacy, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Universitas Islam Indonesia, 2School of Bioresources and Technology, King Mongkut's University of Technology Thonburi, 3Department of Otolaryngology, Phramongkutklao Hospital and College of Medicine, 4Sensor Technology Laboratory, Pilot Plant Development and Training Institute, King Mongkut's University of Technology Thonburi, 5Biosciences and Systems Biology Research Team, National Center for Genetic Engineering and Biotechnology, National Sciences and Technology Development Agency at King Mongkut's University of Technology Thonburi

이 논문에서

요약

긴급한 뎅기열 진단 요구 사항을 해결하기 위해 임상 혈청/혈액 샘플에서 뎅기열 NS1 항원 농도를 정량화하기 위한 스마트폰 앱 통합 뎅기열 NS1 종이 기반 분석 장치(DEN-NS1-PAD)를 소개합니다. 이 혁신은 자원이 제한된 환경에서도 다양한 의료 환경에서 임상적 의사 결정을 지원함으로써 뎅기열 관리를 향상시킵니다.

초록

흰줄숲모기에 의해 전염되는 뎅기열 바이러스(DENV) 감염은 열대 및 아열대 국가에서 주요 공중 보건 문제입니다. 연간 약 1,000만 명의 환자가 발생하고 20,000-25,000명이 사망하는 상황에서, 특히 어린이들 사이에서 실용적인 진단 도구가 시급히 필요합니다. 초기 감염 시 뎅기열 비구조 단백질 1(NS1)의 존재는 사이토카인 방출, 혈관 누출 및 내피 기능 장애와 관련이 있어 중증 뎅기열의 잠재적 표지자가 될 수 있습니다.

측면 유동 분석(LFA) 및 미세유체 종이 기반 분석 장치(PAD)와 같은 종이 기반 면역분석법은 단순성, 신속성, 저렴성, 특이성 및 해석 용이성으로 인해 진단 테스트로 인기를 얻고 있습니다. 그러나 뎅기열 NS1 검출을 위한 기존의 종이 기반 면역분석법은 일반적으로 육안 검사에 의존하여 정성적 결과만 산출합니다. 이러한 한계를 해결하고 감도를 향상시키기 위해 스마트폰 애플리케이션을 비색 및 정량 판독기로 통합하는 종이 기반 분석 장치(PAD), 즉 DEN-NS1-PAD에서 휴대성이 뛰어난 NS1 뎅기열 검출 분석을 제안했습니다. 개발 시스템을 통해 임상 샘플에서 NS1 농도를 직접 정량화할 수 있습니다.

환자로부터 얻은 혈청 및 혈액 샘플을 사용하여 시스템 프로토타입 성능을 시연했습니다. 결과는 즉시 얻어졌으며 시설이 잘 갖춰진 의료 시설과 자원이 제한된 환경 모두에서 임상 평가에 사용할 수 있습니다. 종이 기반 면역분석법과 스마트폰 애플리케이션의 혁신적인 조합은 뎅기열 NS1 항원의 향상된 검출 및 정량화를 위한 유망한 접근 방식을 제공합니다. 육안의 능력을 넘어 감도를 높임으로써 이 시스템은 특히 외딴 지역이나 소외된 지역에서 뎅기열 관리의 임상적 의사 결정을 개선할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

서론

뎅기열 바이러스(DENV) 감염은 가장 빠르게 퍼지는 모기 매개 질병1이며, 전 세계적으로 3억 9천만 명 이상이 9,600만 건의 증상 감염, 200만 건의 중증 질환 사례에 감염되어 있으며, 매년 25,000명 이상이 사망하고있습니다 1,2. 세계보건기구(WHO)에 따르면 약 39억 명이 뎅기열에 걸릴 위험이 있습니다. ~70%는 아시아 태평양 국가와 주로 동남아시아에 거주합니다3. 2019년 WHO에 보고된 뎅기열 발병 건수는 420만 건이며, 태국은 뎅기열 감염으로 최소 136,000건의 뎅기열 발병과 144건의 사망 사례에 기여했다4. 태국의 뎅기열 발병은 4월부터 12월까지 우기에 도시와 농촌 지역, 특히 북동부 지역에서 발생합니다.

DENV 감염은 무증상 증상인 경증 뎅기열(DF)에서 중증 뎅기 출혈열(DHF)에 이르기까지 다양한 임상 증상을 보입니다. 중증 DHF 질환의 주요 특징은 혈관 투과성 증가에 이어 쇼크와 장기 기능 장애가 뒤따른다1. 혈관 누출을 유발할 수 있는 분자 경로를 이해하는 것은 효과적인 뎅기열 치료법을 개발하는 데 매우 중요합니다. 뎅기열 비구조적 단백질 1(NS1)은 초기 바이러스 감염 시 분비되는 당단백질(glycoprotein)이다 5,6 바이러스 RNA 복제를 위한 보조인자(cofactor)로 기능한다7. NS1은 사이토카인 방출을 유발하고 톨 유사 수용체 4(TLR4) 및 내피 당칼릭스 8,9에 결합하여 혈관 누출에 기여할 수 있습니다. 체외 연구에 따르면 NS1은 내피 세포와 상호 작용하여 세포 사멸을 유도합니다. 이 상태는 내피 기능 장애와 혈관 누출의 원인이 될 수 있다10. 혈청 인터루킨(IL)-10 수치와 상관관계가 있는 NS1 항원 수치는 중증 임상질환 환자에서 유의하게 증가했다11. 뎅기열 NS1은 또한 IL-10을 유도하고 DENV 특이적 T 세포 반응을 억제하여 질병 발병에 기여합니다12,13. 또한 뎅기열 NS1 단백질은 중증 임상질환과 관련이 있었으며, 발병 후 첫 3일 동안 NS1 > 600ng mL-1의 농도는 DHF14의 발병과 관련이 있었다.

DHF 환자에서 뎅기열 NS1 항원의 지속성은 중증 뎅기열6의 표지자로 사용될 수 있습니다. 임상 샘플에서 NS1을 검출하는 방법에는 효소 결합 면역 흡착 분석(ELISA) 및 신속 검사15와 같은 여러 가지가 있습니다. 임상 환경에서 NS1 단백질의 농도를 측정하기 위한 황금 표준은 ELISA 분석법입니다. 그러나 ELISA 방법은 비용이 많이 들고 숙련된 인력과 실험실 시설이 필요합니다16. 따라서 현장 검사(POCT)에서 NS1 단백질을 검출하고 정량화하는 기술 개발은 여전히 진행 중입니다. 지난 10년 동안 측면 유동 분석법(LFA) 및 미세유체 종이 기반 분석 장치(μPAD)와 같은 종이 기반 면역분석법은 단순성, 신속성, 저렴성 및 특이성으로 인해 진단 검사로 인기를 얻었습니다 17,18,19. 종이 기반 면역분석에서는 금 나노 입자 (AuNP) 20, 자성 나노 입자21,22, 양자점23 및 형광 물질24,25와 같은 여러 표지가 신호를 생성하는 데 사용되었습니다. AuNP는 저렴한 생산 비용, 제조 용이성, 안정성 및 간단한 판독으로 인해 종이 기반 면역분석에 사용되는 가장 일반적인 라벨입니다. 현재 뎅기열 NS1에 대한 측면 유동 분석(LFA)은 임상 환경에서 널리 사용되고 있습니다26,27. 그러나 기존의 LFA 라벨 검출은 일반적으로 육안을 사용하며 정성적 결과만 제공합니다.

지난 10년 동안 전 세계적으로 50억 대 이상의 스마트폰이 널리 사용되었으며 휴대용 감지 기능을 개발할 가능성이 있습니다28,29. 스마트폰은 내장형 물리적 센서, 멀티코어 프로세서, 디지털 카메라, USB 포트, 오디오 포트, 무선 및 응용 소프트웨어와 같은 다기능 용량을 갖기 때문에 다양한 바이오센서 플랫폼(30)에서 사용하기에 적합하다. 또한, 무선 기술을 통해 데이터를 신속하게 전송할 수 있으며 실시간 및 현장 모니터링에 사용할 수 있습니다(31). Mudanyali et al.은 종이 기반 면역분석법과 스마트폰을 결합하여 말라리아, 결핵 및 HIV32에 대한 휴대용, 장비가 필요 없고 빠르고, 저렴하고, 사용자 친화적인 POCT 플랫폼을 개발했습니다. Ling et al.은 우유에서 알칼리성 인산가수분해효소 활성을 정량적으로 검출하기 위해 스마트폰 카메라와 결합된 측면 유동 분석을 보고했습니다33. Hou et al.은 또한 측면 유동 분석에서 색상 또는 형광의 정량적 신호에 대한 스마트폰 기반의 이중 양식 이미징 시스템을 개발했습니다(34). 또한, 스마트폰을 비색 및 정량 판독기로서 사용하는 것은 감도를 향상시킬 수 있는 반면, 육안으로는 표적(35)의 존재를 자신 있게 보고할 수 없다.

뎅기열 진단의 돌파구를 제시하는 DEN-NS1-PAD 36,37,38(이하 장치라고 함)은 휴대가 간편하고 효율적인 솔루션을 제공합니다. 왁스 프린팅 미세유체 종이 기반 기술을 사용하는 이 장치는 이미지 처리를 통해 높은 감도와 특이성으로 NS1을 정량화합니다. 그 유용성을 더욱 향상시키기 위해 우리는 비색 및 정량 판독을 위한 사용자 친화적인 스마트폰 앱을 개발했습니다. 태국 병원의 환자 샘플을 사용한 임상 검증은 실시간 환자 평가에 대한 즉각적인 영향을 강조합니다. 당사의 혁신은 간소화된 현장 진료 뎅기열 관리의 중추적인 발전을 의미하며, 자원이 제한된 의료 환경에서 진단에 혁명을 일으킬 것을 약속합니다.

프로토콜

태국 방콕 프라몽쿳클라오 병원(Phramongkutklao Hospital, Phramongkutklao Hospital, Thailand, Royal Thai Army Medical Department, Royal Thai Army Medical Department, Institutional Review Board)의 윤리위원회(Ethics Committee of the Institutional Review Board, Royal Thai Army Medical Department, Phramongkutklao Hospital, Bangkok, Thailand (IRBRTA 1218/2562))는 승인을 승인했습니다. 이 연구를 수행함에 있어 우리는 필요한 모든 윤리 규정을 준수했습니다.

1. 종이 기반 면역분석법의 장치 제작

참고: 종이 기반 면역분석 장치는 이전에 확립된 방법36,37 및 태국 특허 요청 번호 19010081638에 따라 제작되었습니다.

  1. 설계 및 패턴 도면: 컴퓨터에서 18개의 PAD 왁스 패턴으로 종이 분석 장치(그림 1A,B)를 설계합니다.
    참고: 이 디자인은 A5 크기 용지에 맞게 설계되었습니다. PAT 수는 사용자가 요구하는 용지 크기와 관련이 있습니다.
  2. 디자인된 패턴을 왁스 프린터를 사용하여 셀룰로오스 종이에 인쇄합니다(재료 표).
  3. 왁스로 인쇄된 종이를 실험실 오븐에서 150°C에서 75초 동안 녹입니다. 그런 다음 후속 단계에 필요할 때까지 실리카 상자에 보관하십시오.
  4. 0.5μL의 0.025% 폴리-L-라이신(PLL)을 테스트 영역과 대조 영역 모두에 적용합니다. 실리카 상자에서 실온(RT)에서 2분 동안 배양한 다음 65°C의 오븐에서 5분 동안 가열합니다.
  5. 대조군에 염소 항마우스 IgG 항체 1μg-1 0.5μL를 투여하고, 포획 항체 1μL-1 0.5μL를 시험부위에 도포합니다. 방울을 실온의 실리카겔 상자에서 30분 동안 건조시킵니다.
  6. 차단 완충액 2 μL를 샘플 영역에, 3 μL를 접합체 영역에, 2 μL를 검출 영역에 적용합니다. 방울을 실리카겔 상자에서 30분 동안 실온에서 건조시킵니다.
  7. 2μL의 금 나노입자-항체 복합체(AuNPs-Ab) 용액을 접합체 부위에 적용하고 실온의 실리카겔 상자에서 30분 동안 건조시킵니다.

2. 종이 기반 면역분석의 조립

  1. 접착 플라스틱 백킹 카드의 뒷면에 있는 보호 필름을 조심스럽게 제거하여 접착제가 노출되도록 합니다.
  2. 처리된 셀룰로오스 종이를 접착 플라스틱 백킹 카드에 맞추고 두 층을 함께 단단히 누릅니다.
    알림: 장치의 오염이나 손상 위험을 최소화하기 위해 친수성을 만지지 마십시오.
  3. 플라스틱 필름을 붙여서 종이를 코팅하고 함께 누릅니다.
  4. 완전히 조립된 장치 시트에서 가위를 사용하여 원하는 장치를 자릅니다.
  5. 이제 DEN-NS1-PAD(그림 1C)를 사용할 준비가 되었습니다. 장기 안정성을 위해 4 °C에서 보관하십시오.

3. AuNPs-Ab 접합체의 제조

참고: AuNPs-Ab는 이전에 Prabowo et al.36에 의해 기술된 바와 같이 제조되었다.

  1. PBS에 10μL의 1mg mL-1 anti-NS1 항체, 1mL의 40nm AuNP 콜로이드 및 0.1mL의 0.1M 붕산염 완충액(pH 8.5)을 결합합니다.
  2. 혼합물을 50rpm에서 60분 동안 회전시키고 상온에서 배양합니다.
  3. BBS에 0.1mL의 10mg mL-1 BSA를 적용하고 50rpm으로 회전하고 실온에서 15분 동안 배양합니다.
  4. 용액을 20,187× g 및 4°C에서 30분 동안 원심분리합니다.
  5. 조심스럽게 피펫팅하고 침전된 AuNPs-Ab에서 상층액을 분리합니다.
  6. AuNPs-Ab를 500 μL의 BBS에 재현탁시키고 초음파 처리를 사용하여 분산시킵니다.
  7. 20,187× g 및 4°C에서 30분 동안 원심분리를 반복합니다.
    알림: 분산 및 원심분리 과정을 3번 반복합니다.
  8. 50μL의 conjugate buffer를 현탁액에 추가하여 conjugate 영역에 적용할 수 있도록 합니다.

4. 모바일 애플리케이션 개발

  1. 이미지 처리 및 기계 학습 개발
    1. DEN-NS1-PAD의 900개 이상의 자동 초점 이미지를 수집하고 다양한 농도, 카메라 브랜드(12-13메가픽셀), 회전(90° 및 180°) 및 조명 설정과 같은 다양한 조건을 캡처하여 지도 이미지 모델에 대한 데이터 세트를 수집합니다. 각 특정 조건에서 30개의 이미지를 목표로 합니다.
    2. Identifying two regions of interest(관심 영역 2개를 식별하고 지도 학습을 위해 수집된 이미지 내의 테스트 및 제어 영역으로 주석을 달아 실측 자료에 레이블을 지정합니다).
    3. 배경 스트립을 식별하는 알고리즘을 설계합니다. 테스트 영역과 제어 영역 사이의 중심선을 찾고, 중간점을 계산하고, 동일한 회전 방향을 유지하면서 두 주 영역의 평균 크기에 비례하는 정사각형 영역을 설정합니다.
    4. 4.1.1단계와 4.1.2단계의 데이터셋과 실측 자료 레이블을 사용하여 이미지 분할 모델을 생성하여 관심 영역을 식별하기 위한 이미지 분할 모델을 훈련시킵니다.
  2. 응용 프로그램 알고리즘
    1. 훈련된 영상 분할 모델을 새 영상에 적용하여 테스트 영역, 대조 영역, 배경 영역을 자동으로 찾습니다.
    2. 기본 이미지 처리 기술을 사용하여 세 가지 관심 영역(테스트, 제어 및 배경) 각각에 대한 단일 강도 값을 얻을 수 있습니다.
    3. 이미지를 3D 배열 표현(y, x 채널)으로 변환하여 픽셀 값에 액세스합니다.
    4. RGB 값을 평균화하여 이미지를 회색조로 변환하고 수식 (255-x)를 사용하여 반전을 적용합니다.
    5. 배경 영역 값을 빼서 테스트 영역과 제어 영역의 값을 정규화합니다.
    6. 미리 설정된 보정 곡선을 사용하여 NS1의 농도를 계산합니다.
    7. 정규화된 그레이스케일 강도37에서 파생된 컷오프 값 0.1103을 기준으로 결과를 양성 또는 음성으로 분류합니다.

5. 교정 곡선 및 감도

  1. 0, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 및 1.0μg mL-1 농도의 보정을 위해 인간 혈청에서 NS1 샘플을 준비합니다.
  2. 각 농도의 50μL를 샘플 영역에 떨어뜨리고 세 번에 걸쳐 측정을 수행합니다.
  3. 샘플을 장치에 완전히 심우하면 결과를 얻는 데 20-30분이 걸릴 수 있습니다.
  4. 배양 5분 후 디지털 카메라나 스마트폰을 사용하여 장치의 이미지를 캡처합니다.
  5. ImageJ 및 사용자 지정 모바일 애플리케이션을 사용하여 테스트 및 제어 영역을 분석합니다.
  6. ImageJ 및 모바일 애플리케이션의 데이터를 기반으로 검량선을 구성합니다.
  7. 아래 방정식 (1-3)을 사용하여 블랭크 한계 (LOB), 검출 한계 (LOD) 및 정량화 한계 (LOQ)를 계산하십시오.
    LOB = 빈 데이터의 평균 + 1:645* ð(빈 데이터의 표준 편차) (1)
    LOD = LOB +1:645*ð (최저농도 데이터의 표준편차) (2)
    LOQ = 빈 데이터의 평균 + 10*ð(빈 데이터의 표준 편차) (3)

6. 임상 샘플로 종이 기반 면역분석 수행

  1. 입원 첫날 30명의 환자로부터 300μL의 말초 혈액을 수집하여 우수한 임상 관행에 따라 보라색 상단 EDTA 튜브로 처리합니다.
  2. 혈액을 2,884× g , 4°C에서 20분 동안 원심분리합니다.
  3. 피펫을 사용하여 액체 성분(플라즈마)을 깨끗한 폴리프로필렌 튜브로 옮깁니다.
  4. 후속 분석을 위해 혈장을 -20°C의 냉동고에 즉시 보관합니다.
  5. 20μL의 플라즈마를 장치 상단의 샘플 영역에 적용합니다. 그런 다음 세척 완충액 30μL(1x 인산염 완충 식염수에 0.05% v/v 트윈 20)를 추가합니다.
  6. 샘플을 장치에 완전히 심우하면 결과를 얻는 데 20-30분이 소요될 수 있습니다.
  7. 실온에서 5분 배양 후 디지털 카메라 또는 스마트폰을 사용하여 장치의 이미지를 캡처합니다.
  8. ImageJ 및 사용자 지정 모바일 애플리케이션을 사용하여 테스트 및 제어 영역을 분석합니다.

7. 모바일 어플리케이션을 통한 정량화

참고: 종이 기반 면역분석법의 강도는 모바일 애플리케이션에서 분석됩니다(그림 2).

  1. 개발된 모바일 애플리케이션을 스마트폰에서 엽니다.
  2. 카메라 사용 또는 갤러리에서 업로드를 선택하여 데이터 원본을 선택하거나 업로드합니다. 카메라 캡처를 통해 또는 장치의 갤러리에서 이미지를 선택하여 이 작업을 수행합니다.
  3. 분석 섹션으로 이동하여 화면에서 분석 버튼을 터치합니다.
  4. 응용 프로그램이 데이터를 분석하고 결과를 표시할 때까지 기다립니다.

결과

제조 방법을 선택하는 것은 종이 기반 면역분석 장치에서 재현 가능한 분석 성능을 보장하는 데 매우 중요합니다. 이 연구에서는 종이 기반 면역 분석을 시연하는 맥락에서 다양한 제조 공정과 재료를 탐구했습니다. 우리가 선택한 방법은 왁스 인쇄 시스템을 사용하여 종이 기반 미세 유체 장치 내에 소수성 장벽을 만듭니다. 이 접근 방식은 단순성, 속도 및 일관된 결과로 인해 두드러집니다. 참고로, 단백질 흡착을 방해하고 셀룰로오스 종이의 소수성을 증가시킬 가능성이 있는 포토레지스트 화학 물질의 사용을 피할 수 있는 이점이 있습니다. 또한 왁스 프린팅은 유체 채널의 일관된 치수를 보장하여 반복 가능한 분석 성능에 기여합니다.

소수성 장벽의 형성에 이어, 면역분석에 필요한 시약을 셀룰로오스 종이 표면에 도포하였다. 정전기 흡착을 통해 PLL은 아민 작용기의 양전하와 음전하를 띤 항체 모두와 상호 작용하여 생체 분자 고정을 도왔습니다. 이 단계는 항체의 변형 및 고정화와 제조 공정 중 label-antibody conjugate의 적용을 용이하게 합니다. 중요한 것은 이 단계를 병렬로 수행할 수 있다는 것입니다. 종이 면역분석 장치( 그림 1A 참조)의 조립은 변형된 종이를 접착 플라스틱 백킹 카드에 적층하고 플라스틱 필름으로 라미네이팅하여 완료됩니다.

본 연구의 주요 목적은 스마트폰을 이용하여 NS1 농도를 측정하는 사용자 친화적인 방법을 개발하는 것이다. 이 접근 방식은 가정 및 임상 환경 모두에서 현장 검사(POCT) 장치로 사용할 수 있습니다. 환자 혈청의 NS1 농도가 광범위하다는 점을 감안할 때, 이러한 실험 결과를 기반으로 간단한 선형 모델이 사용되었습니다. 각 NS1 농도에 대해 3개의 테스트 장치로 구성된 데이터 세트를 준비했습니다. 장치의 사진은 표준 설정과 최적의 조명 조건에서 스마트폰을 사용하여 캡처되어 다크 박스가 필요하지 않습니다. PAD의 테스트 영역에는 마우스 뎅기열 NS1 단클론 항체가 포함되어 있으며, 대조 영역에는 염소 항 마우스 IgG 항체가 있습니다. 샌드위치 분석 형식을 사용하면 샘플의 NS1 농도가 높을수록 테스트 영역에서 빨간색의 강도가 증가합니다. 대조적으로, 제어 영역의 색상 강도는 비교적 일정하게 유지됩니다. 그림 1B 는 처리되지 않은 스마트폰 이미지를 보여주며, 특수 장비 없이도 유리한 시각적 관찰을 제공합니다.

전용 모바일 애플리케이션을 사용하여 강도를 정규화하고 혈청 샘플의 스파이크된 NS1 농도에 대한 간단한 선형 모델(모바일 애플리케이션에서 얻은 계수 상관관계(r2))을 계산했습니다. 모바일 애플리케이션에서 얻은 계수 상관관계(r2)는 0.92(그림 3)로 예상치와 일치했습니다. 이 스마트폰 기반 접근 방식은 육안 관찰을 능가하여 감도를 178%까지 크게 향상시켰습니다. 또한, 블랭크 한계(LoB), 검출 한계(LoD) 및 정량화 한계(LoQ)는 표 1에 제시된 바와 같이 정규화된 강도에 대해 계산되었습니다.

임상 환경에서 DEN-NS1-PAD의 실제 기능을 입증하기 위해 실제 임상 샘플을 활용했습니다. 종이 기반 면역분석법은 20-30분 이내에 정성적 색상 판독값을 생성하여 음성 또는 양성 결과를 시각적으로 결정할 수 있습니다. 뎅기열이 의심되는 환자의 혈청 샘플을 장치에 적용했습니다. 그림 4 는 장치와 상용 신속 진단 테스트(RDT)에서 얻은 결과를 보여주고 비교한 것입니다. 표 2 는 시각적 판독 결과와 스마트폰 기반 시스템의 결과를 요약한 것입니다. 상용 RDT와 장치는 시각적 판독에서 7 개의 긍정적 인 결과와 23 개의 부정적인 결과로 유사한 결과를 산출했습니다. 대조적으로, 장치에 독점적으로 적용된 스마트폰 기반 리더 시스템은 임상 샘플에서 9개의 양성 결과와 21개의 음성 결과를 보고했습니다.

figure-results-1
그림 1: 설계 및 제작된 DEN-NS1-PAD의 이미지. (A,B) 왁스 패턴 소수성 장벽의 단일 채널은 샘플 용액을 지정된 영역에 도입하고 각각 (D) 음성 및 (E) 양성 결과를 표시한 후 (C) 전과 (D,E)의 세 가지 상태로 설계 및 표시됩니다. 샘플 용액은 채널(표시된 화살표 참조)을 통해 주요 위치의 구성 요소(접합 영역의 AuNPs-Ab, 테스트 영역의 항-NS1 항체(뎅기열 NS1 양성 결과를 나타냄) 및 대조 영역의 항-마우스 IgG와 상호 작용합니다. 결과는 육안으로 쉽게 관찰할 수 있으며 평판 스캐너 또는 스마트폰 카메라를 사용한 이미지 처리로 정량화할 수 있습니다. 약어: AuNPs-Ab = 금 나노 입자-항체 접합체. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-2
그림 2: 모바일 앱에서 휴대폰 화면의 스크린샷. (A) 휴대폰 장치에서 실행되는 Android 애플리케이션의 사용자 화면, (B) 애플리케이션 화면 표시, (C) 사용자가 카메라를 사용하거나 갤러리에서 이미지를 업로드하기 위해 선택할 수 있는 애플리케이션의 메인 메뉴, (D) 테스트를 위한 관련 이미지 표시, (E) 분석할 카운트다운 시간 표시, (F) 테스트 및 통제 구역의 강도, 감염 결정(양성/음성) 및 샘플의 NS1 농도를 포함한 테스트 결과 표시. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 3: 혈청 내 NS1 검출을 위한 선형 검량선. 장치를 사용하고 스마트폰 데이터를 기반으로 하는 애플리케이션을 통해 처리하여 이미지를 해석했습니다. 오차 막대는 ±1 표준 편차( n = 3)를 나타냅니다. 약어: T = 테스트 영역; C = 제어 영역. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-4
그림 4: 임상 시료 분석에서 촬영한 DEN-NS1-PAD 이미지. 혈청(50μL)은 종이 기반 면역분석에 사용되었습니다. (A) 음성 결과 예, (B) 양성 결과, (C) RDT와 종이 기반 면역 분석의 전체 결과 및 비교. 약어: RDT = Rapid Diagnostic test; Pos = 양수; Neg = 음수. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

매개 변수육안모바일 앱
공백 한계(LoB)-43.15 ng mL-1
검출 한계(LoD)200 ng mL-1112.19 ng mL-1
정량 한계(LoQ)-373.58 ng mL-1

표 1: 혈청 내 데이터 보정 표준물질 NS1에 대한 ImageJ 및 모바일 애플리케이션의 LoB, LoD 및 LoQ. 약어: LoB = 공백 한계; LoD = 검출 한계; LoQ = 정량화의 한계.

환자 번호육안스마트폰 앱이미지J
RDT (RDT)종이 기반 면역분석
1----
2----
3----
4----
5----
6----
7----
8----
9++++
10--++
11----
12++++
13----
14----
15----
16++++
17++++
18----
19----
20----
21++++
22++++
23----
24++++
25----
26----
27----
28----
29----
30--++

표 2: 혈청 샘플에 대한 시각적 판독 및 스마트폰 기반 리더 시스템 결과 비교. (+) 및 (-)는 각각 결과에 대한 긍정적 및 부정적 해석을 나타냅니다.

토론

스마트폰 기반 리더 시스템의 중요한 설계 파라미터 중 하나는 샘플의 재현 가능한 이미징 처리를 제공하는 기능입니다. 이 연구에서는 단순성과 편의를 위해 이미징 박스나 액세서리를 사용하지 않고 12-13MP 카메라가 장착된 세 가지 스마트폰 브랜드에서 이미지를 캡처했습니다. 카메라의 해상도, 이미지 캡처 시간, 조명 조건 및 환경과 같은 이미지 캡처의 다양한 조건은 장치의 테스트 및 제어 지점의 색상 강도에 영향을 줄 수 있습니다. PAD의 조명 및 건조에 대한 상이한 이미지 캡쳐 시간이 장치의 신호 강도에 미치는 영향은 정규화된 신호 강도를 사용하여 최소화되었으며, 이는 다양한 시간에서 캡처된 이미지에서 일관되게 유지되었다(36). 배경 신호 빼기는 색상 강도 측정의 정확도를 높이고 조명 조건의 영향을 효과적으로 완화하기 위한 전략으로 등장했습니다. 우리의 발견은 환경 영향을 최소화하는 데 있어 기준선 또는 배경 빼기 기술의 효능을 강조하는 이전 연구와 일치합니다39,40.

이미징 박스 또는 액세서리가 필요 없는 방법을 사용하는 것의 우수성을 둘러싼 지속적인 논쟁은 이미지 처리에 영향을 미칩니다39,41. 이미징 박스는 이미징 조건(41,42,43)의 변화를 최소화함으로써 이미징 처리 결과의 견고성을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 이미지 처리를 위해 클라우드 머신러닝 기반의 모바일 애플리케이션을 활용하였다. 이 접근 방식은 클라우드 기반 플랫폼 내에서 기계 학습을 활용하여 이미지 데이터를 자동으로 분류, 추출 및 보강합니다. 이 응용 프로그램은 이미지 내에서 배경, 테스트 및 제어 영역을 포함하는 관심 영역을 효과적으로 식별하고 처리했습니다. 이 단계는 이들 구역(38)을 구별하는 데 중추적인 역할을 하였다. 선행 연구에 따르면 기계 학습을 수반하는 이미지 처리는 대조군과 테스트 샘플에 대한 결과 간에 우수한 분류를 산출합니다 43,44,45. 이 연구에서, 고정 위치 및 배경 빼기를 사용하는 것은 셀룰로오스 μPAD로부터 일관된 배경 신호를 생성하여, 모바일 애플리케이션(40,43)에 의해 제공되는 판독값의 일관성 및 분류 정확도를 향상시켰다.

종이 기반 면역 분석을 입증하는 데 있어 일관된 성능과 관련하여 제조 방법이 중요한 역할을 합니다. 선행 연구36에서는 PLL, 차단 물질 및 NS1 항체의 농도와 같은 DEN-NS1-PAD의 설계 및 제조 방법에 대한 몇 가지 최적화 조건을 연구했습니다. 이 장치는 완충액, 세포 배양 및 인간 혈청에서 NS1을 정성적 및 정량적으로 성공적으로 테스트했습니다.

혈청 성분에서 비롯된 매트릭스 효과는 혈청 샘플을 검사할 때 장치의 검출 한계를 방해할 수 있습니다. 그러나 결과는 개발된 면역분석법이 혈청 샘플에서 NS1 농도를 성공적으로 검출할 수 있음을 나타내며, 상용 RDT와 유사한 결과를 생성합니다(표 2). 육안 검사와 모바일 애플리케이션(그림 4)을 사용한 명백한 결과가 관찰되어 혈청 검사에 대한 분석의 효과를 강조했습니다. 혈청의 점도가 높을수록 분석 시간에 영향을 미칠 수 있지만, 결과 해석을 방해하지는 않는다36. 모바일 애플리케이션을 활용하면 샘플 테스트의 감도가 크게 향상되기 때문에 샘플 분석에 대해 보다 긍정적인 결과를 제공할 수 있습니다46. 뎅기열 NS1에 대한 RT-PCR 15,47,48과 같은 분자 분석과의 추가 비교는 잠재적인 위양성 또는 위음성 결과를 결정하기 위해 필요하다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

이 연구의 주목할 만한 한계는 혈액과 같은 더 복잡한 샘플 매트릭스를 고려할 때 발생합니다. 혈액에 존재하는 성분은 실제로 장치의 검출 한계를 방해할 수 있습니다. 이러한 경우, 버퍼 흡수를 강화하기 위해 추가 흡수 패드를 사용하는 것이 잠재적인 해결책이 될 수 있습니다. 이러한 변형은 혈액 응고를 도울 수 있으며, 혈소판에 영향을 미침으로써 셀룰로오스의 혈형 특성을 활용할 수 있다(49). 또 다른 접근법은 혈액 응고를 향상시키기 위해 샘플 패드에 4%(w/v)의 식염수 방울을 바르는 것입니다. 이전 연구에서는 염화칼슘 및 염화나트륨과 같은 염이 적혈구(RBC) 응고를 유도한다는 것을 입증했습니다50,51. Na+는 적혈구 표면의 전기 이중층을 억제하고 적혈구 사이의 전하 반발력을 감소시킴으로써 혈액 내 적혈구의 현탁액을 불안정하게 만들 수 있습니다. 또한, 고농도의 염분은 또한 혈액 응집(52)을 유도한다. 또한, Na+의 상대 이온 원자가 전하는 하전된 적혈구 이중층의 두께를 억제하여 수축된 적혈구의 응집을 유도합니다. 4%(w/v) 식염수(NaCl)의 첨가는 셀룰로오스 종이51 상의 혈장 분리를 용이하게 한다. 그러나, 식염수 농도의 신중한 최적화는 혈액 응집 및 금 나노 입자 응집(53,54)에 대한 바람직하지 않은 영향을 유도하는 것을 피하기 위해 필요하다.

상업용 왁스 프린터는 프로토타이핑의 비용과 단순성의 이상적인 조합을 제공했습니다. 이러한 프린터는 2016년에 단종됨에 따라 잉크젯 인쇄(55), 스크린 인쇄(56) 및 포토리소그래피(57)와 같은 대체 제조 방법이 필요했습니다. 사무용 토너 프린터는 μPAD를 제조하기에 좋은 후보입니다. 토너 내의 폴리에스테르 수지는 200°C에서 60분 동안 다양한 디자인으로 소수성 패턴을 생성한다(58).

이 연구에는 회사가 지정한 항체 NS1 혈청형 2가 사용되었습니다. 그러나, 우리는 이 항체가 또한 모든 혈청형36,37과 상호작용한다는 것을 발견했다. DENV-4 검출에 대한 민감도는 다른 혈청형에 비해 낮습니다(87.5%). DENV-1 및 DENV-2의 감도는 약 88.89%이고 DENV-3의 감도는 100%37입니다. 이러한 결과는 다른 혈청형에 비해 DENV-4에 대한 RDT의 민감도가 낮다고 보고한 이전 연구와 일치한다59. 장치의 전체 감도는 ~88.89%이며 특이도는 약 86.67%입니다. DEN-NS1-PAD의 실제 감도가 상용 RDT의 감도를 능가할 수 있다는 점은 주목할 만합니다. 그러나 RDT는 84.62%의 양성 예측 값(PPV)과 87.67%의 정확도를 보여줍니다. 특히, DEN-NS1-PAD는 처음 5-6일 동안 뎅기열 감염을 감지하는 데 더 나은 성능을 보인 반면, RDT는 처음 5일 동안에만 효과적이었다37.

요약하자면, 휴대용 종이 기반 면역분석법(DEN-NS1-PAD)과 스마트폰 애플리케이션을 결합하면 뎅기열 NS1 측정에 큰 도움이 될 것입니다. 모바일 애플리케이션은 육안으로 관찰하는 것과 비교하여 혈청 샘플에서 NS1을 정량화하는 데 있어 감도와 효율성을 크게 향상시킵니다. 모바일 애플리케이션의 이점으로는 분석 시간 단축, 사용자 친화성, 다양한 스마트폰 장치, 위치 및 조명 조건과의 호환성이 있습니다. 그러나 감도와 성능을 향상시키기 위해서는 추가 개선이 필요합니다. 한편, 종이 기반 면역분석법의 수정은 혈액 샘플을 처리할 때 성능을 향상시키는 데 필요합니다. 또한, 다양한 환자(소아 및 성인)로부터 수집한 더 많은 수의 원발성 감염 혈청형과 선별된 샘플을 사용하여 뎅기열을 검출하기 위해 DEN-NS1-PAD에 대한 포괄적인 평가가 필요합니다.

공개 사항

저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

MHP는 Universitas Islam Indonesia (UII)의 장학금 연구 기금에 감사드립니다. 저자들은 모바일 애플리케이션 개발 전반에 걸쳐 귀중한 전문 지식과 도움을 주고 원고에 기여한 Mr. Nutchanon Ninyawee에게 감사를 표합니다. 또한 저자들은 태국 과학 연구 및 혁신(TSRI), 기초 연구 기금: 2023 회계연도(프로젝트 번호. FRB660073/0164) King Mongkut's University of Technology Thonburi의 프로그램 Smart Healthcare에 따라.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
<강>재료
0.1M 인산염 완충 식염수(PBS, pH 7.2) 
0.1% Tween 20, 10% 자당 및 1% 카제인을 함유하는 BBS   1
% BSA 로 보충된 복합 면적 처리 및 차단 완충액 붕산염 완충 식염수 (BBS) (pH 8.2에서 25 mM 나트륨 붕산염 및 150 mM 염화나트륨);
Boric acidMerck10043-35-3
소 혈청 알부민 분획 V (BSA)와 함께 접합 공정 중 세척 완충액   PAA Lab GmbH (독일)K41-001 
CaseinMerck9005-46-3
크로마토그래피 종이 등급 2 GE 헬스케어3002-911 
투명 라미네이트 필름3M (문구점)
인산수소Merck7558-79-4
더블 테이프 사이드문구점
염소 안티-마우스 IgG 항체 MyBiosource (미국)MBS435013
금 나노 입자 (40 nm)   Serve Science Co., Ltd. (태국)
인간 IgG 다클론 항체   MerckAG711-M
마우스 뎅기열 NS1 단클론 항체 MyBiosource (미국)MBS834415
마우스 뎅기열 NS1 단클론 항체 MyBiosource (미국)MBS834236
NS1 혈청형 2 항원MyBiosource (미국)MBS 568697
0.1% Tween 20을 함유한 PBS 1X는 t용출 완충액
백킹 카드 10x30cmPacific Biotech Co., Ltd. (태국)
Poly-L-lysine (PLL)Sigma AldrichP4832
Potassium ChlorideMerck104936
Potassium monophosphateMerck104877
염화나트륨Merck7647-14-5
소듐 테트라보레이트 Sigma Aldrich1303-96-4
SucroseMerck57-50-1
Tween 20Sigma Aldrich9005-64-5
Instruments
CytationTM 5 다중 모드 리더BioTek
휴대폰Huawei Y7, iPhone 11, Samsung a20
포토 스캐너Epson Perfection V30
오븐Memmert
왁스 프린터 제록스 ColorQube 8880-PS
Software
Could AutoML Vision 객체 감지 문서Google Cloud
ImageJNational Institute of Health, Bethesda, MD, USA
Inkscape 0.91 소프트웨어
항체 나트륨 으로 사용되었습니다. 플라스틱

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