寄生蟲感染是一個重要的全球公共衛(wèi)生問題庶骄。基于手動顯微鏡檢查的現(xiàn)有篩選方法通常難以提供足夠的體積通量和靈敏度以促進早期診斷践磅。在這里单刁，我們展示了一種基于運動的無標(biāo)記計算成像平臺，通過利用寄生蟲的運動作為特定的生物標(biāo)志物和內(nèi)源對比機制府适，快速檢測光學(xué)密集體液中的運動寄生蟲羔飞。基于這一原理，建立了一種經(jīng)濟有效的移動式儀器檐春，可以快速篩選三維的~3.2 mL流體樣品逻淌，使用全息延時散斑圖案自動檢測和計算運動微生物。我們通過檢測錐蟲來展示我們平臺的能力疟暖，錐蟲是活動的原生動物寄生蟲卡儒，其中各種物種引起致命疾病，影響全世界數(shù)百萬人俐巴。使用全息散斑分析算法結(jié)合基于深度學(xué)習(xí)的分類朋贬，我們證明了加標(biāo)全血和人工腦脊液（CSF）樣本中錐蟲的敏感和無標(biāo)記檢測，達到每毫升全血10個錐蟲的檢測限（?比目前最先進的寄生蟲學(xué)方法好五倍）和每毫升CSF三個錐蟲窜骄。我們進一步證明，該平臺可用于檢測其他運動寄生蟲邻遏，通過對滴蟲病的致病因子毛滴蟲（Trichomonas vaginalis）進行成像，該因子影響全世界2.75億人赎线。憑借其經(jīng)濟，便攜的設(shè)計和快速的篩選時間垂寥，這個獨特的平臺有可能用于敏感和及時診斷由資源有限的地區(qū)的運動寄生蟲和其他寄生蟲感染引起的被忽視的熱帶疾病。
??寄生蟲感染影響全球數(shù)十億人狭归，造成巨大的社會經(jīng)濟負擔(dān)1-4文判。 雖然它們通常與低收入國家有關(guān)，但寄生蟲感染正在成為發(fā)達國家日益增長的健康問題戏仓。 在美國，數(shù)百萬人受到各種寄生蟲的影響敷待，這些寄生蟲可能導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病甚至死亡1仁热。 從單細胞致病細菌和寄生原生動物到多細胞寄生蟲和外寄生蟲，致病生物中的運動是常見的股耽。 生物體從一個位置移動到另一個位置的能力對于成功的感染和傳播具有明顯的益處，并且運動通常是毒力的核心5-7炎滞。盡管寄生生活方式的運動的重要性诬乞，寄生蟲運動仍然是研究的未充分研究領(lǐng)域。 和基于運動的診斷方法相當(dāng)不足震嫉。
??非洲人類錐蟲病（HAT）扼睬，也稱為昏睡病悴势，以及恰加斯病（即美洲錐蟲蔡叵恕），是由運動原生動物寄生蟲引起的被忽視的熱帶病的例子粪躬。被忽視的熱帶病在歷史上很少受到關(guān)注，不成比例地影響世界上最貧困的人群镰官，缺乏足夠的診斷和治療醫(yī)療干預(yù)措施。不存在針對這些疾病的疫苗朋魔，并且現(xiàn)有的化學(xué)治療劑具有高毒性和耐藥性8-11卿操。兩種破壞性疾病-HAT和恰加斯病是由相關(guān)的錐蟲寄生蟲引起的12。布氏錐蟲（T. brucei gambiense和T. brucei rhodesiense亞種）是HAT9,10的原因害淤，相關(guān)物種引起的動物疾病在世界上一些最貧困的地區(qū)造成了巨大的經(jīng)濟負擔(dān)扇雕。寄生蟲通過采采蠅傳播給人類镶奉，并在血液和組織中細胞外存活崭放，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有顯著影響9,10。 HAT在約30個撒哈拉以南非洲國家流行币砂，約有6500萬人有感染風(fēng)險4。報告的病例數(shù)已降至歷史最低水平亿蒸，但過去的病例數(shù)下降后出現(xiàn)了重大流行病掌桩。因此，HAT仍然是人類健康的重要風(fēng)險13波岛。南美錐蟲病是由克氏錐蟲（T. cruzi）引起的，它在宿主細胞內(nèi)侵入并復(fù)制并在宿主組織內(nèi)引起嚴(yán)重的病理14灰蛙。雖然南美錐蟲病主要通過三嗪蟲的叮咬傳播，但其他傳播途徑包括輸血和攝入受污染的食物或飲料15摩梧。這種疾病在拉丁美洲流行宣旱，在那里它影響了600多萬人11,15,16。據(jù)估計笙纤，隨著全球化和氣候變化影響疾病傳播媒介的分布，預(yù)計美國將有超過30萬人受到感染17省容。
??兩種錐蟲都可分為初期階段，其中錐蟲在血流中循環(huán)并且藥物治療是最有效的（I期HAT和急性恰加斯舶⒄）和后期即使不是不可能治愈也非常困難（第二階段HAT和慢性恰加斯病）洒放。因此滨砍，早期發(fā)現(xiàn)對兩種疾病都至關(guān)重要。然而惋戏，快速和敏感的診斷仍然具有挑戰(zhàn)性，特別是在資源有限的環(huán)境中18绒窑。在HAT的診斷中龄句，評估疾病的階段對于確定適當(dāng)?shù)闹委煵呗灾陵P(guān)重要。雖然錐蟲體保留在I期HAT的血液和淋巴液中分歇，但II期HAT的特征是穿過血腦屏障并侵入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的錐蟲，其引起神經(jīng)癥狀并且如果不治療則最終死亡葬燎。由于用于治療I期和II期的藥物不可互換且II期藥物毒性較大缚甩，因此確定疾病分期對于選擇治療方案至關(guān)重要。目前通過腰椎穿刺收集腦脊液（CSF）并在顯微鏡下檢查CSF是否存在白細胞（WBC）和錐蟲來進行分期測定擅威。
??兩種錐蟲種類的長度和寬度分別通常為~ 20μm和~3μm，并且兩種胰蛋白酶物種都使用鞭毛介導(dǎo)的寄生蟲推進運動9,19,20李请。檢測大量體液（例如血液和腦脊液）中的這些運動性對位是一項重要的臨床挑戰(zhàn)。幾十年來导盅，T。的標(biāo)準(zhǔn)篩選試驗白翻。岡比亞HAT一直是錐蟲病（CATT）的卡片凝集試驗岛琼，它可檢測出針對特定寄生蟲抗原4的抗體纪蜒。然而此叠，CATT在某些方面存在實際限制以及低特異性和敏感性4。此外灭袁，陽性CATT試驗通常必須通過血液樣本中的直接目視觀察來確認(rèn)。已經(jīng)開發(fā)了幾種分子和免疫學(xué)檢測方法茸歧，包括聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和快速診斷測試（RDT）。然而逢唤，這些方法受到特殊性或靈敏度不足涤浇，對復(fù)雜設(shè)備和訓(xùn)練有素的人員的需求或高生產(chǎn)成本的限制4,21,22。因此只锭，顯微鏡評估仍然廣泛用于初級或二級診斷，直接觀察腦脊液仍然是HAT分期確定的唯一方法4,22喉誊。每毫升全血通常含有數(shù)十億的紅細胞（RBC）纵顾，數(shù)百萬的白細胞和數(shù)億個血小板。相反施逾，血液寄生蟲血癥在感染過程中波動贞盯，并且通常小于100個寄生蟲/ mL18,23,24沪饺，這使得錐蟲的顯微鑒定成為大海撈針問題。因此件余，直接觀察方法的低靈敏度需要分析分離裝置啼器，例如離心或離子交換純化俱萍，這部分限制了資源有限環(huán)境中的分析25-27枪蘑。因此照捡，迫切需要開發(fā)具有高靈敏度和高通量的新方法话侧，以降低成本并簡化診斷悲立。
??為了應(yīng)對這一重要挑戰(zhàn)，我們展示了一款經(jīng)濟高效的便攜式光學(xué)設(shè)備（圖1）寥殖，該設(shè)備基于無透鏡時間分辨全息散斑成像嚼贡，可實現(xiàn)無標(biāo)簽，高通量和靈敏度檢測各種體液和混濁介質(zhì)中的運動寄生蟲我們的技術(shù)不是染色目標(biāo)分析物或使用分子生物標(biāo)記物误窖，而是利用自我驅(qū)動寄生蟲（或其他運動微生物）的運動作為生物標(biāo)志物和內(nèi)源性對比機制柔吼。因此愈魏，樣品制備非常簡單快速溪厘，不需要任何臺式規(guī)模的樣品處理裝置/設(shè)備牌柄，冷藏蹋宦，離心或純化（圖2）僻爽。如圖1a所示胸梆，待屏蔽的流體樣品由相干光源（例如碰镜，激光二極管）照射秽荤，并且互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器放置在樣品下方以記錄時間 - 變化的全息散斑圖案的樣本牍氛。該圖像序列通過定制編寫的計算運動分析（CMA）算法進行分析搬俊，該算法基于全息術(shù)生成三維（3D）對比圖餐屎，該圖特定于樣本體積中寄生蟲的運動腹缩。基于深度學(xué)習(xí)的分類器用于使用重建的3D運動圖自動檢測和計數(shù)對位的信號模式（圖3）象对。為了快速增加吞吐量并降低檢測限（LoD）篩選大流體體積（~ 3.2mL）勒魔，我們構(gòu)建了一個原型，由三個相同的無透鏡散斑成像模塊組成常潮，安裝在線性平移臺上孵户，以平行篩選三個單獨的樣品管（圖1a和補充電影1）献联。每個成像模塊被轉(zhuǎn)換成包含液體樣本的毛細管的不同部分里逆，其中CMOS圖像傳感器在前進到下一部分之前捕獲高幀率視頻序列运悲。使用這種方法班眯，使用圖1所示的設(shè)置，在約20分鐘內(nèi)制備亚隙，篩選和分析~3.2 mL流體樣品羞延。與標(biāo)準(zhǔn)臺式光學(xué)顯微鏡相比入愧，我們的設(shè)計提供了篩選樣品體積大幅增加的順序（這對于檢測低濃度的寄生蟲非常重要）并且更加緊湊和重量輕（1.69kg）。此外旁赊，由于大量樣品在軸向上進行了計算篩選鳄橘，因此我們的成像設(shè)備在光學(xué)機械設(shè)計中不需要高精度瘫怜，這也使我們的平臺具有極高的成本效益子寓，即使在整個零件成本低于1850美元的情況下也是如此。非常小批量生產(chǎn)。
??我們使用錐蟲來測試我們的移動平臺并證明其能夠檢測加標(biāo)全血和CSF樣本中的寄生蟲（圖2）烹看，這對于HAT的診斷和分期測定以及急性恰加斯病的診斷非常重要。我們使用T.brucei brucei（非人類傳染性亞種錐蟲）作為T.b.的模型寄生蟲進行了一系列濃度的摻加實驗务热。岡比亞人，T.b该镣。羅得西亞和T. cruzi。通過基于深度學(xué)習(xí)的分類嫁审，我們發(fā)現(xiàn)使用我們的平臺可以可靠地檢測每毫升全血中少至10個寄生蟲和每毫升CSF 3個寄生蟲。此外捂贿，我們通過成像陰道毛滴蟲（T. vaginalis）成功檢測了我們的平臺檢測體液中的其他運動寄生蟲，這是一種導(dǎo)致毛滴蟲病的原生動物寄生蟲，這是一種影響370萬的最常見的非病毒性傳播疾病。美國人口2.75億人口28粗井。我們相信浇衬，這種無標(biāo)簽，基于運動的寄生蟲檢測平臺可以提供經(jīng)濟有效的便攜式方法梳星，在資源有限的環(huán)境中快速前域，靈敏地篩選錐蟲和其他運動寄生蟲归粉，或作為高通量分析研究工具從三個方面研究運動生物届榄。
