Un capteur alimenté par l'IA pour les diagnostics cardiaques à haute sensibilité pourrait démocratiser l'accès aux soins

Une équipe de recherche de l'UCLA a mis au point un test de flux vertical par chimiluminescence basé sur l'apprentissage profond (CL-VFA) qui permet de tester la troponine cardiaque I (cTnI) de qualité laboratoire clinique sur une plateforme portable et rentable au niveau du point de soins.

Leurs travaux, publiés dans la revue Small, démontrent comment l'intégration de la biodétection basée sur la chimiluminescence, de l'imagerie à haute sensibilité grâce à un lecteur portable et de l'analyse de données pilotée par l'IA permet une quantification rapide et très sensible de la cTnI pour la détection de l'infarctus du myocarde (IM), également appelé crise cardiaque, dans divers contextes cliniques.

Cette technologie pourrait démocratiser l'accès à des diagnostics cardiaques rapides et fiables, en particulier dans les environnements aux ressources limitées où les infrastructures de laboratoire avancées font défaut.

Les maladies cardiovasculaires restent la première cause de mortalité dans le monde, avec plus de 19 millions de décès par an. La détection précoce de l'infarctus du myocarde est essentielle pour réduire la mortalité et améliorer les résultats pour les patients.

Cependant, les tests cTnI actuels à haute sensibilité reposent sur des analyseurs de laboratoire volumineux et coûteux qui nécessitent un personnel qualifié, ce qui limite l'accès à des diagnostics cardiaques vitaux, en particulier dans les régions à faibles ressources où la rapidité de la prise de décision clinique est essentielle.

Pour relever ce défi, les chercheurs de l'UCLA ont mis au point une nouvelle plateforme de diagnostic sur le lieu de soins qui permet de tester la troponine à haute sensibilité de manière compacte, portable et rentable.

Cette recherche a été menée par le Dr Aydogan Ozcan, professeur d'ingénierie électrique et informatique et directeur associé du California NanoSystems Institute (CNSI) de l'UCLA, en collaboration avec le professeur Dino Di Carlo du département de bio-ingénierie de l'UCLA et le professeur Omai Garner, directeur du laboratoire de microbiologie clinique de l'UCLA.

Les premiers auteurs de l'article sont le Dr Gyeo-Re Han, chercheur postdoctoral, et Artem Goncharov, étudiant diplômé du département de génie électrique et informatique de l'UCLA.

Cette plateforme présente une intégration robuste de l'analyse computationnelle basée sur l'apprentissage profond et de la biodétection par chimiluminescence hautement sensible. Cette innovation permet de détecter la cTnI à des niveaux aussi bas que 0,1-0,2 pg/mL et une gamme dynamique étendue allant de moins de 1 pg/mL à 100 ng/mL.

Ces spécifications surpassent les dispositifs de point de service existants, répondant ainsi aux normes cliniques pour le test de troponine à haute sensibilité, un facteur essentiel dans le diagnostic précoce de l'infarctus et la stratification du risque. Ce capteur de point de service ne nécessite que 50 µl de sérum et se caractérise par un flux de travail rationalisé, permettant potentiellement au personnel médical d'effectuer des tests en toute simplicité. Il fournit des résultats de cTnI en seulement 25 minutes pour une prise de décision clinique rapide.

« Cette technologie représente une étape majeure vers la démocratisation des diagnostics cardiaques de haute qualité », a déclaré le professeur Ozcan. « En combinant l'analyse alimentée par l'IA, la biodétection par chimiluminescence et l'imagerie portable à haute sensibilité, nous pouvons combler le fossé entre les tests en laboratoire central et la prise de décision clinique en temps réel dans les salles d'urgence, les cliniques rurales et les établissements de soins de santé décentralisés. »

Ce capteur computationnel fonctionne en deux étapes clés : une phase d'immunodosage suivie d'un lavage et d'une phase de génération de signaux par chimiluminescence. Au cours de la phase d'immunodosage, un conjugué polymérisé à base d'enzymes se lie à la cTnI dans le sérum.

Lors de la phase de génération du signal, un matériau chimiluminescent est activé par la réaction enzymatique, produisant un signal lumineux capturé par un lecteur portable conçu sur mesure. Un algorithme d'apprentissage profond traite ensuite ces images pour en déduire les concentrations de cTnI dans l'échantillon de sérum mesuré.

« La capacité d'atteindre une sensibilité aussi élevée dans un système portable change la donne pour les tests de troponine au point de service », a déclaré le Dr Gyeo-Re Han. « Notre approche combine avec succès la biodétection CL robuste et le traitement des données piloté par l'IA, ce qui la rend à la fois très précise et pratique pour une utilisation dans le monde réel. »

Les chercheurs ont rigoureusement validé leur plateforme de capteurs en utilisant des échantillons de sérum clinique. Dans une étude de validation en aveugle avec des échantillons de patients, leur capteur a montré une forte corrélation avec un analyseur de laboratoire agréé par la FDA, démontrant sa fiabilité, sa précision clinique et son potentiel pour des applications de diagnostic dans le monde réel.

Outre ses performances élevées, ce capteur est également conçu pour être abordable. Les analyseurs de chimiluminescence traditionnels de paillasse coûtent plus de 10 000 à 20 000 dollars. En revanche, le système de lecture de l'UCLA, qui repose sur un imageur optique personnalisé, coûte environ 222 $, alors que chaque test est facturé environ 4 $.

La rentabilité du capteur en fait une solution idéale pour élargir l'accès aux diagnostics cardiaques dans les cliniques de soins primaires, les pharmacies et les unités de santé mobiles, en particulier dans les environnements où les ressources sont limitées.

« Le caractère abordable de notre plateforme est essentiel pour rendre les tests cardiaques de haute sensibilité réellement accessibles », a déclaré le professeur Di Carlo. « En réduisant de manière significative les coûts de l'équipement et du test, nous rapprochons les diagnostics de qualité du laboratoire des patients qui en ont le plus besoin.

Les chercheurs envisagent de développer cette plateforme de capteurs sur papier en intégrant la détection multiplexée de plusieurs biomarqueurs cardiovasculaires, ce qui permettrait une évaluation complète du risque cardiaque en un seul test. La sensibilité élevée, la portabilité, la simplicité et la rentabilité de cette plateforme de détection en font une alternative pratique aux tests traditionnels en laboratoire, rapprochant ainsi les diagnostics cardiaques de haute sensibilité des patients.

En démocratisant l'accès à des tests de biomarqueurs fiables et rapides, cette innovation a le potentiel d'améliorer la prise de décision clinique, d'améliorer les résultats pour les patients et d'étendre les soins cardiaques à l'échelle mondiale, en particulier dans les environnements de soins de santé décentralisés et aux ressources limitées.

https://medicalxpress.com/news/2025-02-ai-powered-sensor-high-sensitivity.html