新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）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少量的微小RNA（microRNAs），这些微小遗传标记与心脏病等疾病相关。
这项新生物传感平台发表在科学期刊《先进材料》（Advanced Materials）上，它结合了特制的纳米光子芯片与AI自动图像分析。将一滴血液载入芯片后，它可以快速检测多种microRNA生物标志物。凭借其集成的AI成像功能，数千个microRNA信号可以在单次快照中被成像和分析。
与目前检测microRNA的黄金标准——聚合酶链反应（PCR，通过多次复制来检测微量遗传物质）相比，这种新设备可以将检测时间从数小时缩短至20分钟。
microRNAs是短RNA分子，有助于调节体内工作的基因。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。
领导电气与电子工程学院这项研究的NTU副教授陈宇政表示，该团队旨在构建一个能够快速准确测量多种microRNAs的系统，有潜力检测与广泛疾病相关的生物标志物。
"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合适探针，这项技术有可能适用于许多其他癌症和疾病，包括心血管疾病和病毒性疾病，"陈教授解释道，他是一位连续创新者，曾于2021年入选《麻省理工科技评论》"35岁以下创新者"（亚太地区）名单，同时也是NTU李光前医学院（LKCMedicine）的教授。
"未来，有可能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，并可能推动个性化医疗的发展。"
该团队已经构建了一个紧凑的原型，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。
他们的创新得到了NTU创新与创业计划的支持，并通过该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
2024年，当诺贝尔生理学或医学奖表彰microRNA的发现及其在基因调控中的作用时，microRNAs的重要性得到了凸显。
microRNAs非常微小，通常以微量存在，而密切相关的microRNAs可能共享相似的序列，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小光捕获结构。
纳米腔形状像一个内衬镜子的洞穴，当目标microRNA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microRNA分子变得更加容易。
该系统测量了与非小细胞肺癌相关的三种microRNAs——miR-191、miR-25和miR-130a——从人肺癌细胞提取物中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品中的多种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，之后AI系统识别和分类荧光信号并区分不同类型的microRNA，无需手动计数，减少人为错误。
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，低至样品中仅几个分子，并在不同测试通道中识别其目标的准确率超过99%。
"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。"
——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
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。"
对研究结果提供独立专家评论的Tan Tock Seng医院胃肠病学和肝病学系顾问、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Wong Hei副教授表示："从临床角度来看，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。microRNAs长期以来一直被认为在这方面具有潜力，特别是在癌症中。"
"一个能够准确检测多种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。这种技术有可能在肿瘤学和各种疾病中实现更易获取和更精确的临床决策。"
该研究得到了新加坡教育部学术研究基金第一级资助和科学技术研究局制造、贸易和互联互通跨学科研究资助的支持。
陈教授补充说，该团队将寻求与临床医生和行业合作，以了解如何扩大规模对其他microRNA标记进行进一步试验。
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