- 该技术在识别microRNA靶标方面达到了99%的准确率
新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的一组科学家开发了一种新型生物芯片，该芯片与人工智能(AI)结合后，能够快速准确地检测出极微量的microRNAs，这些microRNAs是与心脏病等疾病相关的小型遗传标记。
这项新的生物传感平台发表在科学期刊《先进材料》(Advanced Materials)上，它结合了特别设计的纳米光子芯片和AI自动化图像分析。
只需将一滴血液加载到芯片中，它就能快速检测多种microRNA生物标记物。凭借其集成的AI成像功能，成千上万的microRNA信号可以在一次快照中成像并分析。
与目前检测microRNA的金标准——PCR（聚合酶链式反应，通过多次复制来检测微量遗传物质）相比，这种新设备可以将检测时间从数小时缩短到20分钟。
microRNAs是帮助调节体内基因工作的短RNA分子。由于microRNA水平的变化与许多疾病相关，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NTU副教授陈宇成(Yu-Cheng Chen)表示，该团队的目标是构建一个能够快速准确测量多种microRNAs的系统，有潜力检测与广泛疾病相关的生物标记物。
陈教授解释说："我们对肺癌细胞的成功测试表明，使用针对不同生物标记物的合适探针，这项技术有可能被改编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35人"(亚太区)榜单，同时也是NTU李光前医学院(Lee Kong Chian School of Medicine, 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。
他们的创新得到了NTU创新与创业计划的支持，并通过大学的创新与企业公司NTUitive提交了技术披露。
克服microRNA检测的挑战
microRNAs的重要性在2024年得到了强调，当时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。
microRNAs非常小，通常以微量存在，且密切相关的microRNAs可能具有相似的序列，使它们难以区分。为克服这一问题，NTU团队设计了一个纳米腔(nanocavity)，这是一种比人类头发宽度小数百倍的微型光捕获结构。
这种形状像镜面内衬的洞穴的纳米腔反射并增强荧光信号，当目标microRNA与其匹配探针结合时会发光。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，NTU平台可以直接定量检测液体样本中的多种microRNAs。
该平台还使用一种称为Mask R-CNN的深度学习模型自动分析显微图像。
自动AI成像系统一次性捕获microRNA信号，之后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。
当将合成的microRNAs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，该平台可以检测到极低浓度的microRNAs，低至样本中仅几个分子，并在不同测试通道中识别其靶标时达到99%以上的准确率。
该研究的第一作者、NTU数字分子分析与科学研究所(IDMxS)的博士生傅 Bowen (Bowen Fu)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microRNAs的平台。通过将纳米光子信号增强与基于AI的图像分析相结合，我们能够在几分钟内检测到数千个纳米腔中的微量RNA分子。"
陈副教授补充道："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记物，这可能支持侵入性更低的分子检测。该设备也可能对制药公司在miRNA相关药物测试中有所帮助。"
就研究结果提供独立专家评论的新加坡谭瑞玉医院(Tan Tock Seng Hospital)肠胃病学与肝病学系顾问、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伟希(Sunny Wong Hei)副教授表示："从临床角度看，一个主要的未满足需求是使用非侵入性生物标记物早期检测和监测疾病。microRNAs长期以来一直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、患者的危险分层，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确。"
该研究得到了新加坡教育部学术研究基金第一级拨款以及科技研究局制造、贸易和连通性跨学科研究拨款的支持。
陈教授补充说，该团队将寻求与临床医生和行业对话，以了解如何扩大规模并对其他microRNA标记物进行进一步试验。
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