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极微量的微小RNA(microRNAs)，这些微小RNA是与心脏病等疾病相关联的微小遗传标志物。
这项研究发表在科学期刊《先进材料》(Advanced Materials)上，新型生物传感平台结合了专门设计的纳米光子芯片和AI自动图像分析技术。
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生物标志物。凭借其集成的AI成像功能，系统可以在一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，新设备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RNA是短RNA分子，帮助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子电气工程学院陈宇成(Yu-Cheng Chen)副教授表示，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多种疾病相关的生物标志物。
陈教授解释道："我们对肺癌细胞的成功测试表明，通过针对不同生物标志物的正确探针，这项技术有可能适用于多种其他癌症和疾病，包括心血管疾病和病毒性疾病。"陈教授是连续创新者，曾于2021年入选《麻省理工科技评论》(MIT Technology Review)"35岁以下科技创新者"(亚太区)榜单，同时也是南洋理工大学李光前医学院(Lee Kong Chian School of Medicine, LKCMedicine)的教授。
"未来，可能会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，包括一个能够捕捉纳米光子芯片图像的彩色相机，以及一个专为使用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，技术披露已通过该大学的创新与企业公司NTUitive提交。
克服检测微小RNA的挑战
微小RNA的重要性在2024年得到强调，当时诺贝尔生理学或医学奖认可了微小RNA的发现及其在基因调控中的作用。
微小RNA非常小，通常含量极少，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RNA与其匹配探针结合时，纳米腔会反射并增强发出的荧光信号。这使得检测甚至单个微小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并减少了人为错误。
当将合成微小RNA添加到生物提取物中时，该平台也表现出色，这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识别其目标的准确率超过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(Institute for Digital Molecular Analytics and Science, IDMxS)的博士生傅 Bowen (Bowen Fu)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志物，这可能支持侵入性更小的分子测试。该设备还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新加坡陈笃生医院(Tan Tock Seng Hospital)胃肠病学与肝病学系顾问、专注于人类遗传学、肠道微生物组和代谢疾病的临床科学家黄海 Sunny 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志物早期检测和监测疾病。微小RNA在这方面，特别是在癌症中，长期以来一直被认为具有潜力。"
"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多种疾病的临床决策更加便捷和精确。"
参考文献：Fu B, Yang D, Yuan Z, 等. 用于多重微小RNA检测的宽带纳米腔成像与机器视觉. 先进材料. 2026;38(17):e22938. doi: 10.1002/adma.202522938
本文已从以下材料转载。注：材料可能已针对长度和内容进行了编辑。欲了解更多信息，请联系引用的来源。我们的新闻稿发布政策可在此处查阅。
【全文结束】
