Sensitive and quantitative lateral flow tests – with upconverting nanoparticle reporter technology
Martiskainen, Iida (2021-06-11)
Sensitive and quantitative lateral flow tests – with upconverting nanoparticle reporter technology
Martiskainen, Iida
(11.06.2021)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-8438-1
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-8438-1
Tiivistelmä
Rapid diagnostic tests (RDTs) can be used in settings where access to a central laboratory is limited. These settings include point-of-care (POC) diagnostics performed near a patient during a physician’s appointment or in an ambulance. Also, POC testing is used in many resource-limited community healthcare stations, especially in low- and middle-income countries (LMIC). Lateral flow assay (LFA) is one of the dominant formats for RDT. Conventional lateral flow (LF) tests use visually detectable colored reporter technology, which is prone to limited sensitivity and subjective interpretation of the test read-out. Recently, there has been a growing interest towards applying luminescent label technologies in LFA. The use of such technology in combination with miniaturized reader device preserves most of the typical advantages of LF tests. It may also increase sensitivity and analyte quantification and rule out subjective interpretation of the result.
The aim of this thesis was to develop LFAs employing upconverting nanoparticles (UCNPs) for improved detection of viral analytes and cardiac troponin I (cTnI). In LMIC there is a need for rapid diagnostics with performance equal to that of central laboratory diagnostics. Infections by viruses such as Hepatitis B and human immunodeficiency virus (HIV) represent major health problems in many areas. LFAs for Hepatis B virus surface antigen and anti-HIV antibodies were developed in this thesis and evaluated with clinical specimens. In addition to infectious diseases, non-communicable diseases pose an emerging threat to human health with number of cases increasing as the standards of living improve globally. Cardiovascular diseases for instance have become a leading cause of premature mortality. Particularly in the case of myocardial infarction, rapid and accurate diagnosis affects the clinical outcome of the patient. Quantitative determination of cTnI can provide information on the status of the patient experiencing acute chest pain. In this thesis, an LFA for cTnI was developed evaluated in terms of quantitative determination of cTnI concentration in patient samples.
The results obtained show that the use of UCNPs in the LF platform improves sensitivity and enables quantitative analyte detection. UCNP-LF technology has the potential for use in simple and cost-efficient POC tests, and it offers improved performance in contrast to traditional visual LF technology. Herkkien ja kvantitatiivisten lateraalivirtaustestien kehitys käänteisviritteisten nanopartikkelileimojen avulla
Diagnostisia pikatestejä käytetään sellaisissa olosuhteissa, joissa mahdollisuudet keskuslaboratoriodiagnostiikan hyödyntämiseen ovat rajatut – kuten esimerkiksi tyypillisessä vieritestaustilanteessa, jossa diagnostisen testin tulokset tulisi saada nopeasti lääkärikäynnin aikana oikean hoitopäätöksen mahdollistamiseksi. Tämän lisäksi pikatestejä käytetään matalan tulotason maissa olosuhteissa, joissa resurssit laboratoriodiagnostiikan käyttöön ovat rajalliset. Lateraalivirtaustesti on yksi tyypillisimmistä pikatestialustoista. Useimmat lateraalivirtaustestit perustuvat visuaaliseen tulosten lukuun testilastulta. Visuaalisten määritysten heikkoutena on rajallinen herkkyys sekä tulosten subjektiivinen tulkinta. Kiinnostus korvata visuaalisesti havaittavat värilliset nanopartikkelileimat erilaisilla luminoivilla leimoilla on kasvanut viime vuosina. Luminoivilla leimoilla ja helppokäyttöisellä lukijalaitteella voidaan parantaa sekä määrityksen herkkyyttä, että kvantitatiivisuutta, mutta myös vähentää tulosten tulkinnan subjektiivisuutta. Väitöstyössä kehitettiin lateraalivirtausmäärityksiä virusanalyyttien havaitsemiseen ja parannettiin määritysten herkkyyttä ja kvantitatiivisuutta käyttämällä käänteisviritteisiä nanopartikkelileimoja. Monilla resurssiköyhillä alueilla on tarve pikadiagnostiikalle, joka kuitenkin suorituskyvyltään vastaisi keskuslaboratoriodiagnostiikkaa. Hepatiitti B ja HI-virus ovat edelleen suurimpia taudinaiheuttajia näillä alueilla.
Väitöskirjatyössä kehitettiin määritykset Hepatiitti B viruksen pintaantigeenin ja HI-virusvasta-aineiden havaitsemiseen. Kehitettyjen määritysten suorituskykyä arvioitiin potilasnäytteillä. Myös tarttumattomat taudit, kuten sydänsairaudet, ovat maailmanlaajuisesti kasvussa elintason noustessa ja ovat suurin syy eliniänodotteen alenemaan. Sydänkohtauksen sattuessa, nopea ja oikea diagnoosi vaikuttaa oleellisesti potilaan hoitoennusteeseen. Väitöskirjatyössä arvioitiin kehitetyn sydänperäistä troponiini I:tä havaitsevan lateraalivirtausmäärityksen suorituskykyä mitata kvantitatiivisesti sydänperäistä troponiini I:tä potilasnäytteissä.
Tutkimuksen tulokset osoittavat, että hyödyntämällä käänteisviritteisiä nanopartikkelileimoja voidaan kehittää herkempiä ja kvantitatiivisia lateraalivirtaustestejä. Teknologia mahdollistaisi helppojen ja kustannustehokkaiden testien valmistamisen samalla parantaen testien suorituskykyä suhteessa perinteiseen visuaaliseen lateraalivirtaustekniikkaan.
The aim of this thesis was to develop LFAs employing upconverting nanoparticles (UCNPs) for improved detection of viral analytes and cardiac troponin I (cTnI). In LMIC there is a need for rapid diagnostics with performance equal to that of central laboratory diagnostics. Infections by viruses such as Hepatitis B and human immunodeficiency virus (HIV) represent major health problems in many areas. LFAs for Hepatis B virus surface antigen and anti-HIV antibodies were developed in this thesis and evaluated with clinical specimens. In addition to infectious diseases, non-communicable diseases pose an emerging threat to human health with number of cases increasing as the standards of living improve globally. Cardiovascular diseases for instance have become a leading cause of premature mortality. Particularly in the case of myocardial infarction, rapid and accurate diagnosis affects the clinical outcome of the patient. Quantitative determination of cTnI can provide information on the status of the patient experiencing acute chest pain. In this thesis, an LFA for cTnI was developed evaluated in terms of quantitative determination of cTnI concentration in patient samples.
The results obtained show that the use of UCNPs in the LF platform improves sensitivity and enables quantitative analyte detection. UCNP-LF technology has the potential for use in simple and cost-efficient POC tests, and it offers improved performance in contrast to traditional visual LF technology.
Diagnostisia pikatestejä käytetään sellaisissa olosuhteissa, joissa mahdollisuudet keskuslaboratoriodiagnostiikan hyödyntämiseen ovat rajatut – kuten esimerkiksi tyypillisessä vieritestaustilanteessa, jossa diagnostisen testin tulokset tulisi saada nopeasti lääkärikäynnin aikana oikean hoitopäätöksen mahdollistamiseksi. Tämän lisäksi pikatestejä käytetään matalan tulotason maissa olosuhteissa, joissa resurssit laboratoriodiagnostiikan käyttöön ovat rajalliset. Lateraalivirtaustesti on yksi tyypillisimmistä pikatestialustoista. Useimmat lateraalivirtaustestit perustuvat visuaaliseen tulosten lukuun testilastulta. Visuaalisten määritysten heikkoutena on rajallinen herkkyys sekä tulosten subjektiivinen tulkinta. Kiinnostus korvata visuaalisesti havaittavat värilliset nanopartikkelileimat erilaisilla luminoivilla leimoilla on kasvanut viime vuosina. Luminoivilla leimoilla ja helppokäyttöisellä lukijalaitteella voidaan parantaa sekä määrityksen herkkyyttä, että kvantitatiivisuutta, mutta myös vähentää tulosten tulkinnan subjektiivisuutta. Väitöstyössä kehitettiin lateraalivirtausmäärityksiä virusanalyyttien havaitsemiseen ja parannettiin määritysten herkkyyttä ja kvantitatiivisuutta käyttämällä käänteisviritteisiä nanopartikkelileimoja. Monilla resurssiköyhillä alueilla on tarve pikadiagnostiikalle, joka kuitenkin suorituskyvyltään vastaisi keskuslaboratoriodiagnostiikkaa. Hepatiitti B ja HI-virus ovat edelleen suurimpia taudinaiheuttajia näillä alueilla.
Väitöskirjatyössä kehitettiin määritykset Hepatiitti B viruksen pintaantigeenin ja HI-virusvasta-aineiden havaitsemiseen. Kehitettyjen määritysten suorituskykyä arvioitiin potilasnäytteillä. Myös tarttumattomat taudit, kuten sydänsairaudet, ovat maailmanlaajuisesti kasvussa elintason noustessa ja ovat suurin syy eliniänodotteen alenemaan. Sydänkohtauksen sattuessa, nopea ja oikea diagnoosi vaikuttaa oleellisesti potilaan hoitoennusteeseen. Väitöskirjatyössä arvioitiin kehitetyn sydänperäistä troponiini I:tä havaitsevan lateraalivirtausmäärityksen suorituskykyä mitata kvantitatiivisesti sydänperäistä troponiini I:tä potilasnäytteissä.
Tutkimuksen tulokset osoittavat, että hyödyntämällä käänteisviritteisiä nanopartikkelileimoja voidaan kehittää herkempiä ja kvantitatiivisia lateraalivirtaustestejä. Teknologia mahdollistaisi helppojen ja kustannustehokkaiden testien valmistamisen samalla parantaen testien suorituskykyä suhteessa perinteiseen visuaaliseen lateraalivirtaustekniikkaan.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2867]