图片：新加坡南洋理工大学副教授Y.C.陈（右）手持新型生物芯片，该芯片可利用人工智能在20分钟内检测微小核糖核酸（miRNA），其身后为其博士生傅 Bowen（左）。
新加坡南洋理工大学的一支科学家团队开发了一种新型生物芯片，该芯片与人工智能（AI）配合使用，能够快速、准确地检测极其微量的微小核糖核酸（microRNAs，简称miRNA），这些微小基因标记与心脏病等疾病有关。
这项新生物传感平台发表在科学期刊《先进材料》（Advanced Materials）上，它将专门设计的纳米光子芯片与AI自动化图像分析相结合。
只需将一滴血液加载到芯片中，它就能快速检测多种微小核糖核酸生物标记。凭借其集成的AI成像功能，成千上万的微小核糖核酸信号可以在单次快照中被成像和分析。
与当前检测微小核糖核酸的金标准——聚合酶链式反应（PCR）相比，新设备可将检测时间从数小时缩短至20分钟。PCR通过多次复制来检测微量遗传物质。
微小核糖核酸是帮助调节人体内基因工作的短RNA分子。由于微小核糖核酸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记物。
领导电气与电子工程学院这项研究的新加坡南洋理工大学副教授陈宇成表示，该团队旨在构建一个能够快速、准确测量多种微小核糖核酸的系统，该系统有潜力检测与广泛疾病相关的生物标记物。
"我们对肺癌细胞的成功测试表明，通过针对不同生物标记物的正确探针，这项技术有可能适用于许多其他癌症和疾病，包括心血管和病毒性疾病，"陈教授解释道，他是一位连续创新者，曾入选2021年《麻省理工科技评论》"35岁以下科技创新者"（亚太地区）榜单，同时也是南洋理工大学李光前医学院的教授。
"未来，有可能使用血液或唾液样本，在一个自动系统中同时筛查数百甚至数千种生物标记物。这可以支持大规模筛查，并可能有助于推进个性化医疗。"
该团队已构建了一个紧凑型原型，包括一个可以捕捉纳米光子芯片图像的彩色相机，以及一个旨在使用AI算法分析微小核糖核酸图像并提供快速结果的手机应用程序。
他们的创新得到了南洋理工大学创新与创业计划的支持，并通过该校的创新与企业公司NTUitive提交了技术披露。
克服检测微小核糖核酸的挑战
2024年诺贝尔生理学或医学奖认可了微小核糖核酸的发现及其在基因调控中的作用，这凸显了微小核糖核酸的重要性。
微小核糖核酸非常小，通常以微量存在，且密切相关的微小核糖核酸可能共享相似的序列，使它们难以区分。为克服这一问题，南洋理工大学团队设计了一种纳米腔，这是一种比人类头发宽度小数百倍的微小光捕获结构。
这种纳米腔形状像一个内衬镜子的洞穴，当目标微小核糖核酸与其匹配探针结合时，它会反射并增强发光的荧光信号。这使得检测单个微小核糖核酸分子变得更加容易。
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微小核糖核酸——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微小核糖核酸。
该平台还使用一种名为Mask R-CNN的深度学习模型来自动分析显微图像。
自动化AI成像系统一次性捕获微小核糖核酸信号，之后AI系统识别和分类荧光信号并区分不同类型的微小核糖核酸，无需手动计数，减少了人为错误。
当合成微小核糖核酸被添加到生物提取物中时，该平台也表现良好，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，该平台能够检测到极低浓度的微小核糖核酸，低至样本中仅几个分子，并在不同测试通道中识别目标的准确率超过99%。
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极高灵敏度和高通量直接测量多种微小核糖核酸的平台。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检测到跨越数千个纳米腔的微量RNA分子。"
陈副教授补充道："我们也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记物，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与微小核糖核酸相关的药物测试中有所帮助。"
对研究结果发表独立专家评论的新加坡陈笃生医院胃肠病学和肝病科顾问、专攻人类遗传学、肠道微生物组和代谢性疾病的临床科学家黄希副教授表示："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记物早期检测和监测疾病。微小核糖核酸长期以来一直被认为在这方面具有潜力，尤其是在癌症方面。"
"能够准确检测多种微小核糖核酸的平台可能具有巨大的临床应用价值，包括早期癌症检测、患者风险分层，以及监测治疗反应或疾病复发。这种技术有可能在肿瘤学和各种疾病领域实现更便捷、更精确的临床决策。"
该研究得到了新加坡教育部学术研究基金一级资助和科学技术研究局制造、贸易和互联跨学科研究基金的支持。
陈教授补充说，团队将与临床医生和行业人士洽谈，探讨如何扩大规模，对其他微小核糖核酸标记物进行进一步试验。
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