AI驱动的生物芯片20分钟内检测基因标记物
科学家们开发出一种新型生物芯片，当与人工智能（AI）配合使用时，能够快速准确地检测极微量的微小RNA（microRNAs），这些微小RNA是与心脏病等疾病相关的微小基因标记物。
（Nanowerk News）这项新的生物传感平台发表在科学期刊《先进材料》（Advanced Materials）上（"多路微小RNA检测的宽带纳米腔成像与机器视觉"），它结合了特别设计的纳米光子芯片与AI自动化图像分析技术。
将一滴微量血液加载到芯片中，它就能快速检测多种微小RNA生物标记物。凭借其集成的人工智能（AI）成像功能，该芯片能够在单次快照中成像并分析数千个微小RNA信号。
与目前检测微小RNA的金标准——聚合酶链式反应（PCR）相比，PCR通过多次复制来检测微量遗传物质，而这种新设备能将检测时间从数小时缩短到20分钟。
微小RNA是短RNA分子，有助于调节体内工作的基因。由于微小RNA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南洋理工大学副教授陈宇征（Chen Yu-Cheng）表示，研究团队的目标是构建一个能够快速准确测量多种微小RNA的系统，该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，通过针对不同生物标记物的适当探针，这项技术有可能适应于许多其他癌症和疾病，包括心血管和病毒性疾病。"陈教授是一位连续创新者，曾于2021年入选《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（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。"
研究团队已经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算法分析微小RNA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RNA的挑战
2024年，诺贝尔生理学或医学奖表彰了微小RNA的发现及其在基因调控中的作用，这突显了微小RNA的重要性。
微小RNA非常微小，通常以微量存在，而密切相关的微小RNA可能具有相似的序列，使它们难以区分。为了克服这一挑战，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RNA与其匹配的探针结合时，纳米腔会反射并增强荧光信号。这使得检测单个微小RNA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三种与非小细胞肺癌相关的微小RNA——miR-191、miR-25和miR-130a，无需扩增或复杂的准备工作。
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RNA。
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RNA信号，随后AI系统识别和分类荧光信号，并区分不同类型的微小RNA，消除了手动计数的需要，减少了人为错误。
当合成的微小RNA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地工作。
研究人员表示，该平台能够检测到极低浓度的微小RNA，低至样本中仅几个分子，并在不同测试通道中对目标的识别准确率超过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（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微小RNA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小的分子检测。该设备也可能对制药公司在微小RNA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黄海（Sunny Wong Hei）副教授是谭瑞玉医院胃肠病学与肝病学系顾问，也是一位专门研究人类遗传学、肠道微生物组和代谢疾病的临床科学家，他表示："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。微小RNA在这方面长期以来一直被认为具有潜力，特别是在癌症方面。"
"一个能够准确检测多种微小RNA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确。"
该研究得到了新加坡教育部学术研究基金Tier 1拨款和科学技术研究局制造、贸易和互联互通跨学科研究拨款的支持。
陈教授补充说，研究团队将与临床医生和行业人士商谈，探讨如何扩大规模，对其他微小RNA标记物进行进一步试验。
来源：南洋理工大学（注：内容可能为适应风格和长度而编辑）
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