En multidisciplinär grupp som inkluderar University of Illinois i Urbana-Champaign och University of Washington i Tacoma har utvecklat en ny plattform för att diagnostisera infektionssjukdomar vid vårdpunkten, använda en smartphone som detektionsinstrument i kombination med ett testkit i kreditkortsformat. Gruppen leds av Illinois Electrical and Computer Engineering Professor Brian T. Cunningham; Illinois bioteknik professor Rashid Bashir; och, University of Washington i Tacoma Professor David L. Hirschberg, som är knuten till vetenskap och matematik, avdelningen för Högskolan för tvärvetenskapliga konster och vetenskaper.

Fynden har publicerats i Analytisk kemi , demonstrerar upptäckt av fyra luftvägssjukdomar hos hästar, och i Biomedicinska mikroenheter , där systemet användes för att detektera och kvantifiera förekomsten av Zika, Dengue, och Chikungunya-virus i en droppe helblod. Projektmedarbetare inkluderar Dr. David Nash, en privat praktiserande hästexpert och veterinär i Kentucky, och Dr. Ian Brooks, en datavetare vid National Center for Supercomputing Applications.

Den låga kostnaden, portabla, smarttelefonintegrerat system ger en lovande lösning för att möta utmaningarna med diagnostik av infektionssjukdomar, speciellt i resursbegränsade inställningar eller i situationer där ett resultat behövs omedelbart. Det diagnostiska verktygets integration med mobil kommunikationsteknik möjliggör personlig patientvård och underlättar informationshantering för både vårdgivare och epidemiologiska övervakningsinsatser. Viktigt, systemet uppnår detektionsgränser som är jämförbara med de som erhålls med laboratoriebaserade metoder och instrument, på cirka 30 minuter.

En användbar förmåga för human point-of-care (POC) diagnos eller för ett mobilt veterinärlaboratorium, är att samtidigt testa för närvaron av mer än en patogen med ett enda testprotokoll, vilket sänker kostnaderna, sparar tid och ansträngning, och möjliggör en panel av patogener, som kan orsaka liknande symtom, att identifieras.

Infektionssjukdomar är fortfarande världens främsta bidragsgivare till mänsklig död och funktionshinder, och med de senaste utbrotten av Zika-virusinfektioner, det finns ett stort behov av enkla, känslig, och lättöversättbara vårdtester. Zika-virus dök upp i det internationella rampljuset i slutet av 2015 när bevis framkom för en möjlig koppling mellan en epidemi som drabbar Brasilien och ökad mikrocefali hos nyfödda. Zika har blivit ett utbrett globalt problem – Världshälsoorganisationen (WHO) dokumenterade förra året att sedan juni 2016, 60 nationer och territorier rapporterar om pågående myggburen överföring. Dessutom, eftersom Zika-virusinfektion delar symtom med andra sjukdomar som Dengue och Chikungunya, snabbt, noggrann diagnos krävs för att särskilja dessa infektioner och för att fastställa behovet av aggressiv behandling eller karantän.

För forskningsinsatsen, hästar användes som en djurmodell för luftvägssjukdomar hos människor och matdjur. Säger Dr. David Nash "Man kan ofta lättare utveckla diagnostiska verktyg för mänskligt bruk genom att komma in på utvecklingen från djurets sida först. Många sjukdomar dyker upp först hos djur, typ kanariefågel i kolgruvan."

En viktig projektbidragsgivare, Dr. Nash kommenterar de ekonomiska konsekvenserna av utbrott av infektionssjukdomar hos hästar:"Det är kostsamt för hästägare och tränare, och stör affärsverksamheten för alla hästsporter. Tänk på detta – den 25 december, 2016 upplevde en ensam häst som stod uppstallad på Fair Grounds Race Course i New Orleans feber och utvecklade därefter neurologiska symtom. Det statliga diagnostiska labbet låg 100 mil bort och var stängt för jullovet. Slutresultatet var ett utbrott av hästherpesvirus-1 (EHV-1) som resulterade i karantän för över 200 hästar på kapplöpningsbanan och en allvarlig ekonomisk förlust för hästägare och kapplöpningsbanans ägare, Churchill Downs, Inc. Föreställ dig konsekvenserna om de någonsin var tvungna att skjuta upp Kentucky Derbyt på grund av ett sjukdomsutbrott."

Tekniken är avsedd att göra det möjligt för läkare att snabbt diagnostisera sjukdom på sitt kontor eller i fält, resulterade i tidigare, mer informerade beslut om patienthantering, samtidigt som kontrollen av sjukdomsutbrott markant förbättras. En viktig förutsättning för det breda antagandet av point-of-care tester vid patientens sida är tillgången på detektionsinstrument som är billiga, portabla, och kan dela data trådlöst över Internet.

Systemet använder en kommersiell smartphone för att förvärva och tolka realtidsbilder av en enzymatisk amplifieringsreaktion som äger rum i ett mikrofluidiskt kiselchip som genererar grön fluorescens och visar en visuell avläsning av testet. Systemet består av en omodifierad smartphone och en bärbar 3D-printad vagga som stöder de optiska och elektriska komponenterna, och gränssnitt med den bakåtvända kameran på smarttelefonen.

Programvaran som fungerar på smarttelefonen samlar information om testerna som utförs på mikrofluidkortet, patientspecifik information, och resultaten från analyserna, som sedan kommuniceras till en molnlagringsdatabas.

Dr. Nash konstaterar att, "Detta projekt är en game changer. Det här är framtiden för medicin - bemyndigade sjukvårdspersonal i frontlinjen. Vi kan inte stoppa virus och bakterier, men vi kan diagnostisera snabbare. Vi kunde visa den tydliga fördelen för mänskligheten, såväl som för djur, under projektets förslagsfas, och våra resultat har bevisat vår premiss. Nästa, Jag vill gå ut på fältet, flera webbplatser, flera geografiska platser, och testa i verkliga situationer."

U of I doktorand och forskningsassistent Fu Sun ser detta projekt som ett uppfyllande av ett av hennes primära karriärmål:"Jag gick in på forskarskolan med hopp om att göra en bättre värld genom att utveckla biomedicinska apparater som kan underlätta effektivt förebyggande av sjukdomar, diagnos, eller behandling. Detta projekt är i linje med mitt mål eftersom det ger en point-of-care-lösning för snabb diagnos av infektionssjukdomar. Ansluten till en molndatabas via en smartphone, det hjälper vårdgivare inom området att anamma eran av big data och Internet of Things."

Systemet representerar den enda plattformen hittills som kan multiplexa detektering av virala och andra nukleinsyramål på en bärbar vårdcentral med en droppe kroppsvätska, inklusive helblod.

För Dr. Nash var erfarenheten av att arbeta med University of Illinois-teamet och andra projektsamarbetspartners fantastisk, som han säger "Ett mångsidigt team skapades faktiskt här. En elaka smart grupp människor! Jag kan inte föreställa mig att gå in i ett projekt utan ingenjörer nu."