Draagbare op papier gebaseerde immunoassay gecombineerd met smartphone-applicatie voor colorimetrische en kwantitatieve detectie van dengue NS1-antigeen
Summary
Om tegemoet te komen aan dringende behoeften op het gebied van dengue-diagnostiek, introduceren we hier een in de smartphone-app geïntegreerd Dengue NS1 Paper-based Analytical Device (DEN-NS1-PAD) voor het kwantificeren van de Dengue NS1-antigeenconcentratie in klinische serum-/bloedmonsters. Deze innovatie verbetert de behandeling van dengue door te helpen bij de klinische besluitvorming in verschillende zorgomgevingen, zelfs in omgevingen met beperkte middelen.
Abstract
Infectie met het denguevirus (DENV), die wordt overgedragen door Aedes-muggen , is een groot probleem voor de volksgezondheid in tropische en subtropische landen. Met een jaarlijkse incidentie van ongeveer 10 miljoen gevallen en 20.000-25.000 sterfgevallen, vooral onder kinderen, is er dringend behoefte aan praktische diagnostische hulpmiddelen. De aanwezigheid van dengue niet-structureel proteïne 1 (NS1) tijdens vroege infectie is in verband gebracht met het vrijkomen van cytokines, vasculaire lekkage en endotheeldisfunctie, waardoor het een potentiële marker is voor ernstige dengue.
Op papier gebaseerde immunoassays zoals lateral flow assays (LFA’s) en microfluïdische op papier gebaseerde analytische apparaten (PAD’s) hebben aan populariteit gewonnen als diagnostische tests vanwege hun eenvoud, snelheid, goedkoopheid, specificiteit en interpretatiegemak. Conventionele op papier gebaseerde immunoassays voor de detectie van dengue NS1 zijn echter meestal gebaseerd op visuele inspectie, wat alleen kwalitatieve resultaten oplevert. Om deze beperking aan te pakken en de gevoeligheid te verbeteren, hebben we een zeer draagbare NS1-denguedetectietest voorgesteld op een op papier gebaseerd analytisch apparaat (PAD), namelijk DEN-NS1-PAD, dat een smartphone-applicatie integreert als een colorimetrische en kwantitatieve lezer. Het ontwikkelingssysteem maakt directe kwantificering van NS1-concentraties in klinische monsters mogelijk.
Serum- en bloedmonsters van patiënten werden gebruikt om de prestaties van het systeemprototype te demonstreren. De resultaten werden onmiddellijk verkregen en kunnen worden gebruikt voor klinische beoordeling, zowel in goed uitgeruste zorginstellingen als in omgevingen met beperkte middelen. Deze innovatieve combinatie van een op papier gebaseerde immunoassay met een smartphone-applicatie biedt een veelbelovende aanpak voor verbeterde detectie en kwantificering van dengue NS1-antigeen. Door de gevoeligheid te vergroten tot buiten de mogelijkheden van het blote oog, heeft dit systeem een groot potentieel voor het verbeteren van de klinische besluitvorming bij de behandeling van dengue, met name in afgelegen of achtergestelde gebieden.
Introduction
Infectie met het knokkelkoortsvirus (DENV) is de snelst verspreidende door muggen overgedragen ziekte1, en meer dan 390 miljoen mensen zijn besmet met 96 miljoen symptomatische infecties, 2 miljoen gevallen van ernstige ziekte en meer dan 25,000 sterfgevallen per jaar in de wereld 1,2. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) lopen naar schatting 3,9 miljard mensen risico op dengue; ~70% woont in landen in Azië-Pacific en voornamelijk in Zuidoost-Azië3. In 2019 bedroeg het aantal dengue-gevallen dat aan de WHO werd gemeld 4.2 miljoen, en Thailand droeg ten minste 136,000 dengue-gevallen en 144 overlijdensgevallen bij aan dengue-infectie4. De dengue-uitbraak in Thailand vindt plaats tijdens het regenseizoen, van april tot december, in zowel stedelijke als landelijke gebieden, vooral in het noordoostelijke gebied.
DENV-infecties hebben verschillende klinische manifestaties, variërend van subklinische symptomen, milde knokkelkoorts (DF) tot ernstige knokkelkoorts hemorragische koorts (DHF). Het belangrijkste kenmerk van een ernstige DHF-aandoening is een verhoogde vasculaire permeabiliteit, gevolgd door shock en orgaandisfunctie1. Het begrijpen van de moleculaire route die het vasculaire lek kan veroorzaken, is erg belangrijk bij het ontwikkelen van effectieve denguebehandelingen. Dengue niet-structureel eiwit 1 (NS1) is een uitgescheiden glycoproteïne tijdens vroege virusinfectie 5,6 en functioneert als een cofactor voor virale RNA-replicatie7. NS1 kan de afgifte van cytokines veroorzaken en bijdragen aan vasculaire lekkage door zich te binden aan toll-like receptor 4 (TLR4) en endotheliale glycocalyx 8,9. In vitro onderzoek heeft aangetoond dat NS1 interageert met endotheelcellen en apoptose induceert. Deze aandoening kan bijdragen aan endotheeldisfunctie en vasculair lek10. NS1-antigeenspiegels, gecorreleerd met seruminterleukine (IL)-10-spiegels, waren significant verhoogd bij patiënten met ernstige klinischeziekte11. Dengue NS1 draagt ook bij aan de pathogenese van de ziekte door IL-10 te induceren en DENV-specifieke T-celresponsen te onderdrukken12,13. Bovendien was dengue NS1-eiwit gerelateerd aan ernstige klinische ziekte, en de concentratie van NS1 > 600 ng ml-1 in de eerste 3 dagen van de ziekte werd geassocieerd met de ontwikkeling van DHF14.
De persistentie van het dengue NS1-antigeen bij patiënten met DHF kan worden gebruikt als een marker van ernstige dengue6. Er zijn verschillende methoden om NS1 in klinische monsters te detecteren, zoals enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) en de snelle test15. De gouden standaard voor het meten van de concentratie van NS1-eiwitten in een klinische setting is de ELISA-methode. De ELISA-methode is echter duur en vereist geschoold personeel en laboratoriumfaciliteiten16. Daarom is de ontwikkeling van technologie voor het detecteren en kwantificeren van NS1-eiwitten in de point-of-care-test (POCT) nog steeds aan de gang. In het afgelopen decennium zijn op papier gebaseerde immunoassays zoals lateral flow assays (LFA’s) en microfluïdische op papier gebaseerde analytische apparaten (μPAD’s) populair geworden als diagnostische tests vanwege hun eenvoud, snelheid, goedkoopheid en specificiteit 17,18,19. In een op papier gebaseerde immunoassay zijn verschillende labels gebruikt om signalen te genereren, zoals gouden nanodeeltjes (AuNP’s)20, magnetische nanodeeltjes21,22, kwantumdots23 en fluorescentiematerialen 24,25. AuNP’s zijn de meest voorkomende labels die worden gebruikt in op papier gebaseerde immunoassays vanwege hun lage productiekosten, productiegemak, stabiliteit en eenvoudige uitlezing. Momenteel worden laterale flow-assays (LFA’s) voor dengue NS1 beroemd gebruikt in de klinische setting26,27. Conventionele LFA-labeldetectie maakt echter vaak gebruik van het blote oog en levert alleen kwalitatieve resultaten op.
In het afgelopen decennium zijn wereldwijd meer dan 5 miljard smartphones op grote schaal gebruikt en er is potentieel voor de ontwikkeling van draagbare detectie 28,29. Smartphones hebben multifunctionele capaciteiten zoals ingebouwde fysieke sensoren, multi-core processors, digitale camera’s, USB-poorten, audiopoorten, draadloze en applicatiesoftware, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in verschillende biosensorplatforms30. Bovendien maken draadloze technologieën het mogelijk om gegevens snel te verzenden en kunnen ze worden gebruikt voor real-time en on-site monitoring31. Mudanyali et al. combineerden de op papier gebaseerde immunoassay en smartphones om een draagbaar, apparatuurvrij, snel, goedkoop en gebruiksvriendelijk POCT-platform voor malaria, tuberculose en HIV32 te ontwikkelen. Ling et al. rapporteerden een laterale flowtest in combinatie met een smartphonecamera om alkalische fosfatase-activiteit in melk kwantitatief te detecteren33. Hou et al. ontwikkelden ook een op smartphones gebaseerd, dual-modality beeldvormingssysteem voor kwantitatieve signalen van kleur of fluorescentie in de laterale flow-assay34. Bovendien kan het gebruik van de smartphone als colorimetrische en kwantitatieve lezer de gevoeligheid verbeteren, terwijl het blote oog de aanwezigheid van het doel niet met vertrouwen kan melden35.
De DEN-NS1-PAD 36,37,38 (hierna het apparaat genoemd) is een doorbraak in de denguediagnostiek en biedt een draagbare en efficiënte oplossing. Met behulp van met was bedrukte microfluïdische technologie op basis van papier, kwantificeert dit apparaat NS1 met hoge gevoeligheid en specificiteit door middel van beeldverwerking. Om de bruikbaarheid verder te vergroten, hebben we een gebruiksvriendelijke smartphone-app ontwikkeld voor colorimetrisch en kwantitatief lezen. Klinische validatie met behulp van patiëntmonsters uit Thaise ziekenhuizen onderstreept de onmiddellijke impact ervan op real-time patiëntbeoordeling. Onze innovatie markeert een cruciale vooruitgang in gestroomlijnd point-of-care-denguebeheer en belooft een revolutie teweeg te brengen in de diagnostiek in zorglandschappen met beperkte middelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een van de belangrijke ontwerpparameters voor een op smartphones gebaseerd lezersysteem is de mogelijkheid om reproduceerbare beeldverwerking van monsters te bieden. In dit onderzoek werden voor de eenvoud en het gemak de beelden gemaakt van drie verschillende smartphonemerken met 12-13 MP-camera’s zonder gebruik te maken van een beelddoos of accessoires. Variabele omstandigheden voor het vastleggen van afbeeldingen, zoals de resolutie van de camera, de opnametijd van het beeld, de lichtomstandigheden en de omgeving, kun…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M.H.P. is dankbaar voor het onderzoeksfonds van de Universitas Islam Indonesia (UII). De auteurs betuigen hun dankbaarheid aan de heer Nutchanon Ninyawee voor zijn waardevolle expertise en hulp tijdens de ontwikkeling van de mobiele applicatie en zijn bijdragen aan het manuscript. Verder waarderen de auteurs de financiële steun van Thailand Science Research and Innovation (TSRI), Basic Research Fund: Fiscal year 2023 (projectnr. FRB660073/0164) in het kader van het programma Smart Healthcare van King Mongkut’s University of Technology Thonburi.
Materials
| Materials | |||
| 0.1 M phosphate-buffered saline (PBS, pH 7.2) | |||
| BBS containing 0.1% Tween 20, 10% sucrose, and 1% casein | the conjugate area treatment and blocking buffer | ||
| Borate buffered saline (BBS) (25 mM sodium borate and 150 mM sodium chloride at pH 8.2) supplemented with 1% BSA | the washing buffer during the conjugation process AuNPs with the antibody | ||
| Boric acid | Merck | 10043-35-3 | |
| Bovine serum albumin fraction V (BSA) | PAA Lab GmbH (Germany) | K41-001 | |
| Casein | Merck | 9005-46-3 | |
| Chromatography paper Grade 2 | GE Healthcare | 3002-911 | |
| Clear laminate film | 3M (Stationery shops) | ||
| Disodium hydrogen phosphate | Merck | 7558-79-4 | |
| Double tape side | Stationery shops | ||
| Goat anti-mouse IgG antibody | MyBiosource (USA) | MBS435013 | |
| Gold nanoparticles (40 nm) | Serve Science Co., Ltd. (Thailand) | ||
| Human IgG polyclonal antibody | Merck | AG711-M | |
| Mouse dengue NS1 monoclonal antibody | MyBiosource (USA) | MBS834415 | |
| Mouse dengue NS1 monoclonal antibody | MyBiosource (USA) | MBS834236 | |
| NS1 serotype 2 antigens | MyBiosource (USA) | MBS 568697 | |
| PBS 1X containing 0.1% Tween 20 was used as t | elution buffer | ||
| Plastic backing card 10×30 cm | Pacific Biotech Co., Ltd. (Thailand) | ||
| Poly-L-lysine (PLL) | Sigma Aldrich | P4832 | |
| Potassium Chloride | Merck | 104936 | |
| Potassium monophosphate | Merck | 104877 | |
| Sodium Chloride | Merck | 7647-14-5 | |
| Sodium tetraborate | Sigma Aldrich | 1303-96-4 | |
| Sucrose | Merck | 57-50-1 | |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | 9005-64-5 | |
| Instruments | |||
| CytationTM 5 multimode reader | BioTek | ||
| Mobile phones | Huawei Y7, iPhone 11, Samsung a20 | ||
| Photo scanner | Epson Perfection V30 | ||
| Oven | Memmert | ||
| Wax printer | Xerox ColorQube 8880-PS | ||
| Software | |||
| Could AutoML Vision Object Detection documentation | Google Cloud | ||
| ImageJ | National Institute of Health, Bethesda, MD, USA | ||
| Inkscape 0.91 Software |
References
- Cattarino, L., Rodriguez-Barraquer, I., Imai, N., Cummings, D. A. T., Ferguson, N. M. Mapping global variation in dengue transmission intensity. Science Translational Medicine. 12 (528), 1-11 (2020).
- World Health Organization (WHO). . Treatment, prevention and control global strategy for dengue prevention and control. , 1-34 (2012).
- . WHO Dengue and severe dengue Available from: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/dengue-and-severe-dengue (2020)
- Department of Disease Control Ministry of Health Thailand. . Weekly Disease Forecast Dengue. , (2020).
- Malavige, G. N., Ogg, G. S. Pathogenesis of vascular leak in dengue virus infection. Immunology. 151 (3), 261-269 (2017).
- Paranavitane, S. A., et al. Dengue NS1 antigen as a marker of severe clinical disease. BMC Infectious Diseases. 14 (1), 570 (2014).
- Muller, D. A., Young, P. R. The flavivirus NS1 protein: Molecular and structural biology, immunology, role in pathogenesis and application as a diagnostic biomarker. Antiviral Research. 98 (2), 192-208 (2013).
- Modhiran, N., et al. Dengue virus NS1 protein activates cells via Toll-like receptor 4 and disrupts endothelial cell monolayer integrity. Science Translational Medicine. 7 (304), 304ra102 (2015).
- Glasner, D. R., et al. Dengue virus NS1 cytokine-independent vascular leak is dependent on endothelial glycocalyx components. PLOS Pathogens. 13 (11), e1006673 (2017).
- Lin, C. -. F., et al. Antibodies from dengue patient sera cross-react with endothelial cells and induce damage. Journal of Medical Virology. 69 (1), 82-90 (2003).
- Adikari, T. N., et al. Dengue NS1 antigen contributes to disease severity by inducing interleukin (IL)-10 by monocytes. Clinical and Experimental Immunology. 184 (1), 90-100 (2016).
- Malavige, G. N., et al. Suppression of virus specific immune responses by IL-10 in acute dengue infection. PLoS Neglected Tropical Diseases. 7 (9), e2409 (2013).
- Malavige, G. N., et al. Serum IL-10 as a marker of severe dengue infection. BMC Infectious Diseases. 13 (1), 341 (2013).
- Libraty, D. H., et al. High circulating levels of the dengue virus nonstructural protein NS1 early in dengue illness correlate with the development of dengue hemorrhagic fever. The Journal of Infectious Diseases. 186 (8), 1165-1168 (2002).
- World Health Organization (WHO) and the Special Programme for Research and Tropical Diseases (TDR). . Dengue: guidelines for diagnosis, treatment, prevention and control — New edition. , (2009).
- Axelrod, T., Eltzov, E., Marks, R. S. Capture-layer lateral flow immunoassay: a new platform validated in the detection and quantification of dengue NS1. ACS Omega. 5 (18), 10433-10440 (2020).
- Kim, S. -. W., Cho, I. -. H., Lim, G. -. S., Park, G. -. N., Paek, S. -. H. Biochemical-immunological hybrid biosensor based on two-dimensional chromatography for on-site sepsis diagnosis. Biosensors and Bioelectronics. 98, 7-14 (2017).
- Fu, Q., et al. Development of a novel dual-functional lateral-flow sensor for on-site detection of small molecule analytes. Sensors and Actuators B: Chemical. 203, 683-689 (2014).
- Dzantiev, B. B., Byzova, N. A., Urusov, A. E., Zherdev, A. V. Immunochromatographic methods in food analysis. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 55, 81-93 (2014).
- Hu, J., et al. Advances in paper-based point-of-care diagnostics. Biosensors and Bioelectronics. 54 (4), 585-597 (2014).
- Zhong, Y., et al. Gold nanoparticles based lateral flow immunoassay with largely amplified sensitivity for rapid melamine screening. Microchimica Acta. 183 (6), 1989-1994 (2016).
- Figueredo, F., Garcia, P. T., Cortón, E., Coltro, W. K. T. Enhanced analytical performance of paper microfluidic devices by using Fe 3 O 4 nanoparticles, MWCNT, and graphene oxide. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (1), 11-15 (2016).
- Bahadır, E. B., Sezgintürk, M. K. Lateral flow assays: Principles, designs and labels. TrAC – Trends in Analytical Chemistry. 82, 286-306 (2016).
- He, M., Liu, Z. Paper-based micro fluidic device with upconversion fluorescence assay. Analytical Chemistry. 85, 11691-11694 (2013).
- Derikvand, F., Yin, D. L. T., Barrett, R., Brumer, H. Cellulose-based biosensors for esterase detection. Analytical Chemistry. 88 (6), 2989-2993 (2016).
- Kumar, S., Bhushan, P., Krishna, V., Bhattacharya, S. Tapered lateral flow immunoassay-based point-of-care diagnostic device for ultrasensitive colorimetric detection of dengue NS1. Biomicrofluidics. 12 (3), 034104 (2018).
- Sinawang, P. D., Rai, V., Ionescu, R. E., Marks, R. S. Electrochemical lateral flow immunosensor for detection and quantification of dengue NS1 protein. Biosensors and Bioelectronics. 77, 400-408 (2016).
- Zhang, D., Liu, Q. Biosensors and bioelectronics on smartphone for portable biochemical detection. Biosensors and Bioelectronics. 75, 273-284 (2016).
- Preechaburana, P., Suska, A., Filippini, D. Biosensing with cell phones. Trends in Biotechnology. 32 (7), 351-355 (2014).
- Laksanasopin, T., et al. A smartphone dongle for diagnosis of infectious diseases at the point of care. Science Translational Medicine. 7 (273), 273re1 (2015).
- Kim, J., et al. Noninvasive alcohol monitoring using a wearable tattoo-based iontophoretic-biosensing system. ACS Sensors. 1 (8), 1011-1019 (2016).
- Mudanyali, O., et al. Integrated rapid-diagnostic-test reader platform on a cellphone. Lab on a Chip. 12 (15), 2678 (2012).
- Yu, L., Shi, Z., Fang, C., Zhang, Y., Liu, Y., Li, C. Disposable lateral flow-through strip for smartphone-camera to quantitatively detect alkaline phosphatase activity in milk. Biosensors and Bioelectronics. 69, 307-315 (2015).
- Hou, Y., et al. Smartphone-based dual-modality imaging system for quantitative detection of color or fluorescent lateral flow immunochromatographic strips. Nanoscale Research Letters. 12 (1), 291 (2017).
- You, D. J., Park, T. S., Yoon, J. -. Y. Cell-phone-based measurement of TSH using Mie scatter optimized lateral flow assays. Biosensors and Bioelectronics. 40 (1), 180-185 (2013).
- Prabowo, M. H., Chatchen, S., Rijiravanich, P. Dengue NS1 detection in pediatric serum using microfluidic paper-based analytical devices. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 412, 2915-2925 (2020).
- Prabowo, M. H., et al. Clinical evaluation of a developed paper-based Dengue NS1 rapid diagnostic test for febrile illness patients. International Journal of Infectious Diseases. 107, 271-277 (2021).
- Prabowo, M. H., et al. Preparation and detection method for the diagnostic device of dengue NS1 detection in serum, cell medium, and buffer. Thai Patent. , (2019).
- Kong, T., et al. Accessory-free quantitative smartphone imaging of colorimetric paper-based assays. Lab on a Chip. 19 (11), 1991-1999 (2019).
- Jung, Y., Heo, Y., Lee, J. J., Deering, A., Bae, E. Smartphone-based lateral flow imaging system for detection of food-borne bacteria E. coli O157:H7. Journal of Microbiological Methods. 168, 105800 (2020).
- Chen, G., et al. Improved analytical performance of smartphone-based colorimetric analysis by using a power-free imaging box. Sensors and Actuators B: Chemical. 281, 253-261 (2019).
- Kim, H., et al. Smartphone-based low light detection for bioluminescence application. Scientific Reports. 7 (1), 40203 (2017).
- Kim, H., Awofeso, O., Choi, S., Jung, Y., Bae, E. Colorimetric analysis of saliva-alcohol test strips by smartphone-based instruments using machine-learning algorithms. Applied Optics. 56 (1), 84 (2017).
- Qin, Q., et al. Algorithms for immunochromatographic assay: review and impact on future application. The Analyst. 144 (19), 5659-5676 (2019).
- Yan, W., et al. Machine learning approach to enhance the performance of MNP-labeled lateral flow immunoassay. Nano-Micro Letters. 11 (1), 7 (2019).
- Srisa-Art, M., Boehle, K. E., Geiss, B. J., Henry, C. S. Highly sensitive detection of Salmonella typhimurium using a colorimetric paper-based analytical device coupled with immunomagnetic separation. Analytical Chemistry. 90 (1), 1035-1043 (2018).
- Santiago, G. A., et al. Performance of the Trioplex real-time RT-PCR assay for detection of Zika, dengue, and chikungunya viruses. Nature Communications. 9 (1), 1391 (2018).
- Lanciotti, R. S., Calisher, C. H., Gubler, D. J., Chang, G. J., Vorndam, A. V. Rapid detection and typing of dengue viruses from clinical samples by using reverse transcriptase-polymerase chain reaction. Journal of Clinical Microbiology. 30 (3), 545-551 (1992).
- Yang, X., et al. Design and development of polysaccharide hemostatic materials and their hemostatic mechanism. Biomaterials Science. 5 (12), 2357-2368 (2017).
- Li, H., Han, D., Pauletti, G. M., Steckl, A. J. Blood coagulation screening using a paper-based microfluidic lateral flow device. Lab Chip. 14 (20), 4035-4041 (2014).
- Nilghaz, A., Shen, W. Low-cost blood plasma separation method using salt functionalized paper. RSC Advances. 5 (66), 53172-53179 (2015).
- Ataullakhanov, F. I., Pohilko, A. V., Sinauridze, E. I., Volkova, R. I. Calcium threshold in human plasma clotting kinetics. Thrombosis Research. 75 (4), 383-394 (1994).
- Pamies, R., et al. Aggregation behaviour of gold nanoparticles in saline aqueous media. Journal of Nanoparticle Research. 16 (4), 2376 (2014).
- Christau, S., Moeller, T., Genzer, J., Koehler, R., Von Klitzing, R. Salt-induced aggregation of negatively charged gold nanoparticles confined in a polymer brush matrix. Macromolecules. 50 (18), 7333-7343 (2017).
- Abe, K., Kotera, K., Suzuki, K., Citterio, D. Inkjet-printed paperfluidic immuno-chemical sensing device. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 398 (2), 885-893 (2010).
- Sameenoi, Y., Nongkai, P. N., Nouanthavong, S., Henry, C. S., Nacapricha, D. One-step polymer screen-printing for microfluidic paper-based analytical device (µPAD) fabrication. The Analyst. 139 (24), 6580-6588 (2014).
- Mora, M. F., et al. Patterning and modeling three-dimensional microfluidic devices fabricated on a single sheet of paper. Analytical Chemistry. 91 (13), 8298-8303 (2019).
- Ng, J. S., Hashimoto, M. Fabrication of paper microfluidic devices using a toner laser printer. RSC Advances. 10 (50), 29797-29807 (2020).
- Pal, S., et al. Multicountry prospective clinical evaluation of two enzyme-linked immunosorbent assays and two rapid diagnostic tests for diagnosing dengue fever. Journal of Clinical Microbiology. 53 (4), 1092-1102 (2015).
