Xét nghiệm chẩn đoán kết hợp hai công nghệ với máy học có thể mang đến mô hình mới cho xét nghiệm tại nhà
Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker (PME) của Đại học Chicago và Trường Kỹ thuật Samueli của UCLA cùng hợp tác phát triển thành công một hệ thống xét nghiệm chẩn đoán mới, có sự kết hợp một bóng bán dẫn mạnh mẽ, nhạy bén với một xét nghiệm chẩn đoán dựa trên giấy, chi phí thấp. Khi kết hợp với máy học, hệ thống này bỗng nhiên trở thành một loại cảm biến sinh học mới có thể thay đổi các xét nghiệm và chẩn đoán tại nhà.
Dưới sự chỉ đạo của giáo sư Junhong Chen tại Đại học Chicago và giáo sư Aydogan Ozcan tại UCLA, nhóm nghiên cứu đã kết hợp một bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET)-một thiết bị bán dẫn có thể phát hiện nồng độ các phân tử sinh học-với hộp mực phân tích trên giấy (cùng loại với các công nghệ được sử dụng trong các xét nghiệm thai kỳ và COVID tại nhà).
Khi kết hợp với máy học, xét nghiệm này đã đo được cholesterol trong mẫu huyết thanh với độ chính xác hơn 97%, so với kết quả từ phòng thí nghiệm hóa học lâm sàng được chứng nhận CLIA tại Đại học Y khoa Chicago, do Giáo sư KT Jerry Yeo đứng đầu.
Nghiên cứu được công bố trên ACS Nano, được thực hiện với sự hợp tác của nhóm nghiên cứu Ozcan tại UCLA, chuyên về hệ thống cảm biến trên giấy và máy học. Kết quả là bằng chứng khái niệm cuối cùng có thể được sử dụng để tạo ra các xét nghiệm chẩn đoán tại nhà giá rẻ, có độ chính xác cao, có khả năng đo nhiều loại chỉ ấn sinh học về sức khỏe và bệnh tật. "Khi giải quyết các hạn chế trong từng thành phần và bổ sung máy học, chúng tôi đã tạo ra một nền tảng xét nghiệm mới có thể chẩn đoán bệnh, phát hiện chỉ dấu sinh học và theo dõi liệu pháp điều trị tại nhà", Hyun-June Jang, nghiên cứu sinh bậc sau tiến, đồng tác giả chính của bài báo cùng với Hyou-Arm Joung của UCLA cho biết.
Các xét nghiệm chẩn đoán tại nhà, như xét nghiệm thai kỳ hoặc COVID, sử dụng công nghệ xét nghiệm trên giấy để phát hiện sự hiện diện của phân tử mục tiêu. Mặc dù các xét nghiệm này đơn giản và chi phí thấp, nhưng chúng chủ yếu mang tính định tính, thông báo cho người dùng biết có chỉ dấu sinh học hay không.
Phổ xét nghiệm là FET, ban đầu được thiết kế cho các thiết bị điện tử. Tuy nhiên, ngày nay chúng cũng được sử dụng như các cảm biến sinh học có độ nhạy cao, có khả năng phát hiện chỉ dấu sinh học theo thời gian thực. Nhiều người tin rằng FET là tương lai của cảm biến sinh học, nhưng việc thương mại hóa chúng đã bị cản trở do vấp phải các yêu cầu về điều kiện xét nghiệm cụ thể. Trong một ma trận cực kỳ phức tạp như máu, FET có thể khó phát hiện tín hiệu từ chất phân tích.
Chính vì thế, nhóm của Chen và Ozcan đã bắt đầu kết hợp cả hai công nghệ để tạo ra một loại hệ thống xét nghiệm mới. Hệ thống này có chi phí thấp vì mỗi hộp mực có giá khoảng 15 xu. Khi nhóm tích hợp phân tích động học học sâu, họ đã cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của kết quả xét nghiệm trong FET. "Chúng tôi đã tăng độ chính xác và tạo ra một thiết bị có tổng chi phí dưới năm mươi đô la. Đồng thời, FET có thể được tái sử dụng với các xét nghiệm sử dụng hộp mực dùng một lần", Jang cho biết
Để thử nghiệm hệ thống này, nhóm nghiên cứu đã lập trình thiết bị để đo cholesterol từ các mẫu huyết tương người ẩn danh. Trong 30 lần thử nghiệm mù đôi, hệ thống đã đo được nồng độ cholesterol với độ chính xác hơn 97%-vượt xa tổng sai số cho phép là 10%, theo hướng dẫn của CLIA. Nhóm cũng đã tiến hành một thí nghiệm chứng minh khái niệm cho thấy thiết bị có thể kết hợp các xét nghiệm miễn dịch, được sử dụng rộng rãi trong việc định lượng hormone, dấu hiệu khối u và chỉ dấu sinh học tim.
Jang cho hay rằng, đây là một hệ thống chẩn đoán cổ điển được cải tiến nhiều hạng mục, điều này sẽ rất quan trọng khi xét nghiệm và chẩn đoán tại nhà không ngừng trở nên phổ biến hơn trong hệ thống chăm sóc sức khỏe của Hoa Kỳ.
Dự định tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ phát triển hệ thống để thử nghiệm miễn dịch và cuối cùng hy vọng thấy được cách hệ thống có thể phát hiện nhiều dấu ấn sinh học chỉ bằng một mẫu đầu vào duy nhất. Công nghệ này rất có tiềm năng phát hiện nhiều dấu ấn sinh học từ một giọt máu, Jang cho biết thêm.
