新加坡南洋理工大学陈宇成副教授（Chen Yu-Cheng，右）手持新型生物芯片，该芯片可利用AI在20分钟内检测miRNA，其身后是博士生傅 Bowen（左）。图片来源：新加坡南洋理工大学
新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的一个科学家团队开发了一种新型生物芯片，该芯片与人工智能配对后，能够快速准确地检测极微量的微小核糖核酸（microRNAs，简称miRNAs）。这些微小的遗传标记与心脏病等多种疾病相关联。这项发表在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上的新型生物传感平台，将特殊设计的纳米光子芯片与AI自动图像分析相结合。
只需将一滴血液加载到芯片中，它就能快速检测多种microRNA生物标志物。凭借其集成的AI成像功能，该芯片可一次性捕获和分析数千个microRNA信号。
与目前检测microRNA的金标准——聚合酶链式反应（PCR，通过多次复制来检测微量遗传物质）相比，这种新设备可将检测时间从数小时缩短至20分钟。
MicroRNAs是帮助调节体内基因功能的短RNA分子。由于microRNA水平的变化与多种疾病相关，科学家们一直在研究它们作为心血管疾病、癌症、神经退行性疾病和代谢性疾病等病症的潜在生物标志物。
领导这项研究的南洋理工大学电气与电子工程学院副教授陈宇成表示，该团队旨在构建一个能够快速准确测量多种microRNAs的系统，该系统有潜力检测与广泛疾病相关的生物标志物。
"我们在肺癌细胞上进行的成功测试表明，通过针对不同生物标志物的正确探针，这项技术可能适用于许多其他癌症和疾病，包括心血管疾病和病毒性疾病，"陈教授解释道。他是2021年入选《麻省理工科技评论》"35岁以下创新者"（亚太地区）榜单的连续创新者，同时也是南洋理工大学李光前医学院（LKCMedicine）的教授。
"未来，可能可以使用血液或唾液样本在自动化系统中一次性筛查数百甚至数千种生物标志物。这可以支持大规模筛查，并可能帮助推动个性化医疗发展。"
该团队已构建了一个紧凑型原型，包括一个可以捕获纳米光子芯片图像的彩色相机，以及一个设计用于使用AI算法分析microRNA图像并提供快速结果的手机应用程序。
克服microRNA检测的挑战
2024年，诺贝尔生理学或医学奖表彰了microRNA的发现及其在基因调控中的作用，这凸显了microRNA的重要性。
MicroRNAs非常小，通常含量极微，且密切相关的microRNAs可能共享相似的序列，使其难以区分。为克服这一难题，南洋理工大学团队设计了一种纳米腔（nanocavity），这是一种比人类头发宽度小数百倍的微小光捕获结构。
这种形状类似衬有镜子的洞穴的纳米腔，能够反射并增强当目标microRNA与其匹配探针结合时发出的荧光信号。这使得检测单个microRNA分子变得更加容易。
该系统从人类肺癌细胞提取物中测量了与非小细胞肺癌相关的三种microRNAs——miR-191、miR-25和miR-130a，无需扩增或复杂准备。
与需要标记探针的PCR和杂交试剂盒不同，南洋理工大学平台可以直接定量检测液体样本中的多种microRNAs。该平台还使用一种名为Mask R-CNN的深度学习模型自动分析显微图像。
自动化AI成像系统一次性捕获microRNA信号，随后AI系统识别和分类荧光信号，并区分不同类型的microRNA，无需人工计数，减少了人为错误。当合成microRNAs被添加到生物提取物中时，该平台也表现出色，表明它可以在更真实的样本条件下可靠工作。
研究人员表示，该平台能够在极低浓度下检测microRNAs，低至每样本仅几个分子，并在不同测试通道中对目标的识别准确率达到99%以上。
该研究的第一作者、南洋理工大学数字分子分析与科学研究所（IDMxS）的博士生傅 Bowen表示："我们的目标是创建一个能够以高灵敏度和高通量直接测量多种microRNAs的平台。通过结合纳米光子信号增强与基于AI的图像分析，我们能够在几分钟内在数千个纳米腔中检测到微量的RNA分子。"
陈宇成副教授补充道："我们还在探索该平台是否有一天能够分析血液、唾液或尿液等样本中的生物标志物，这可能支持侵入性更小的分子检测。该设备还可能对制药公司在miRNA相关药物测试中有所帮助。"
对研究结果发表独立专家评论的谭瑞深医院（Tan Tock Seng Hospital）肠胃病学和肝病学系顾问、专攻人类遗传学、肠道微生物组和代谢疾病的临床科学家黄海 Sunny 副教授表示："从临床角度看，一个主要未满足的需求是使用非侵入性生物标志物早期检测和监测疾病。MicroRNAs长期以来被认为在这方面具有潜力，特别是在癌症方面。"
"能够准确检测多种microRNAs的平台可能具有巨大的临床应用价值，包括癌症的早期检测、患者风险分层，以及治疗反应或疾病复发的监测。这种技术可能使肿瘤学和各种疾病的临床决策更加便捷和精准。"
发表详情
傅 Bowen 等人，《用于多重miRNA检测的宽带纳米腔成像与机器视觉》，《先进材料》(2026)。DOI: 10.1002/adma.202522938
期刊信息：《先进材料》
关键医学概念
- 微小核糖核酸（MicroRNAs）
- 非小细胞肺癌（Carcinoma, Non-Small-Cell Lung）
- 聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction）
临床类别
- 实验室医学（Laboratory medicine）
- 肿瘤学（Oncology）
提供方：新加坡南洋理工大学
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