Оптический мультиплексный сенсор с двумя режимами, улучшенный глубоким обучением, для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний у постели пациента

Почему важно быстро проверить состояние сердца

Когда человек поступает с болью в груди или одышкой, у врачей есть очень короткое окно, чтобы решить, находится ли сердце в кризисе. Сегодня ключевые анализы крови на инфаркт и сердечную недостаточность часто выполняются медленно, требуют крупных приборов и обычно измеряют лишь один маркер за раз. В этой работе описано компактное недорогое устройство, которое можно разместить рядом с пациентом, оно считывает несколько сердечных маркеров из одной крошечной пробы и с помощью искусственного интеллекта превращает слабые оптические сигналы в четкие численные показатели, полезные для врача.

Две распространенные проблемы сердца — одна сложная картина

Инфаркты и сердечная недостаточность входят в число ведущих причин смерти в мире и тесно связаны между собой. Инфаркт внезапно лишает часть сердечной мышцы крови, тогда как сердечная недостаточность развивается, когда сердце больше не может эффективно перекачивать кровь. Многие пациенты страдают от обоих состояний, что сильно повышает риск смерти и повторных госпитализаций. Врачи опираются на три основных анализа крови для понимания происходящего: кардиальный тропонин I, сигнализирующий о повреждении кардиомиоцитов; креатин-киназа MB (CK-MB), помогающая выявить свежую или повторную травму; и NT-proBNP, уровень которого растет при растяжении сердца и его неспособности эффективно сокращаться. Совместное измерение этих трех маркеров дает гораздо более полную картину состояния пациента, чем любой из тестов по отдельности.

Ограничения нынешних лабораторных и прикроватных тестов

Существующие системы измерения этих маркеров разделены между крупными центральными лабораториями и меньшими приборчиками у постели пациента. Большие анализаторы в больничных лабораториях чувствительны и надежны, но требуют квалифицированного персонала, отдельных картриджей и реагентов для каждого маркера и относительно больших объемов крови. Результаты могут приходить несколько часов, что конфликтует с узким окном для лечения при инфаркте и делает частое повторное тестирование обременительным, особенно для людей, живущих далеко от крупных центров. Приборы для прикроватного использования быстрее, но обычно тестируют только один маркер на картридж, часто не обеспечивают той предельной чувствительности для тропонина, которая сейчас рекомендуется, и испытывают трудности при покрытии сильно различающихся диапазонов концентраций трех маркеров без помех или потери точности.

Бумажный картридж, который «видит» двумя способами

Исследователи создали карманную оптическую платформу на основе бумажного картриджа с вертикальным потоком. Капля сыворотки, смешанная со специфическими антителами, мечеными наночастицами, проходит прямо вниз через небольшую мембрану с крошечными реакционными точками: некоторые захватывают тропонин, некоторые — NT-proBNP, некоторые — CK-MB, а другие служат встроенными контролями. Тот же картридж затем считывается в двух оптических режимах. В колориметрическом режиме золотые наночастицы затемняют отдельные точки под зеленым светом. В хемилюминесцентном режиме добавляемое вещество заставляет ферментные комплексы светиться в темноте. Назначив низкоуровневый тропонин режиму свечения, а более высокие по концентрации маркеры главным образом цветному режиму, устройство охватывает концентрации от менее чем триллионной доли грамма на миллилитр до десятков миллиардных долей, все в одном тесте, который занимает около 23 минут и требует всего 50 микролитров сыворотки.

Обучение небольшого компьютера читать сложные паттерны

Поскольку поток по бумаге, состав пробы и другие факторы могут тонко изменять исходные сигналы, команда обратилась к компактным нейронным сетям — программным моделям, вдохновленным работой мозга — чтобы интерпретировать изображения. Ридер на базе Raspberry Pi делает снимки в цветном и люминесцентном режимах и извлекает яркость каждой реакционной точки и контролей. Для каждого маркера первая сеть быстро относит результат к широкому диапазону (например, ниже или выше порога для сердечной недостаточности), а вторая сеть затем оценивает точную концентрацию внутри этого диапазона. Система перекрестно проверяет эти шаги; если диапазон и значение не совпадают, результат помечается как неопределенный, а не тихо выдается сомнительное число. Обученные и затем протестированные на 92 реальных образцах сыворотки пациентов, модели дали результаты, очень близкие к стандартным больничным анализам, с коэффициентами корреляции выше 0,96 для всех трех маркеров.

Что это может значить для повседневной помощи

В практическом плане эта работа показывает, что недорогой портативный ридер и одноразовый бумажный картридж могут обеспечить лабораторное качество многомаркерного тестирования сердца у постели пациента или в небольших клиниках. Двойные оптические режимы позволяют измерять чрезвычайно низкие уровни тропонина и очень высокие значения в одном прогоне, а нейронные сети помогают компенсировать шум и изменчивость, которые в противном случае ослабили бы подход «один сигнал на маркер». Хотя необходимы дальнейшие крупномасштабные клинические исследования и тесты цельной крови, эта платформа указывает на будущее, в котором люди с риском инфаркта или сердечной недостаточности могут быть быстро и доступно оценены, мониторированы и распределены по приоритетности во многих местах, гораздо более доступных, чем сегодня.

Цитирование: Han, GR., Eryilmaz, M., Goncharov, A. et al. Deep learning-enhanced dual-mode multiplexed optical sensor for point-of-care diagnostics of cardiovascular diseases. Light Sci Appl 15, 190 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02275-9

Ключевые слова: кардиальные биомаркеры, диагностика у постели пациента, хемилюминесцентные сенсоры, глубокое обучение, инфаркт и сердечная недостаточность