AI搭載バイオチップ、20分で遺伝子マーカーを検出

Title: AI搭載バイオチップ、20分で遺伝子マーカーを検出

Label: AIバイオチップによるmicroRNA検出

Summary: NTU Singaporeの研究チームは、複数のmicroRNAバイオマーカーを20分で検出できるAI搭載バイオチップを開発した。このプラットフォームは、試験チャネル全体で標的同定に99％超の精度を達成した。

Highlights:

• この新しいバイオセンシングプラットフォームは、ナノフォトニックチップとAI自動画像解析を組み合わせている。
• この装置により、microRNA検出時間を数時間から20分へ短縮できる。
• このシステムは、ヒト肺がん細胞抽出物からmiR-191、miR-25、miR-130aを測定した。
• このプラットフォームは、異なる試験チャネルにわたり標的同定で99％超の精度を達成した。

Content: NTU Singaporeの科学者チームは、Artificial Intelligence (AI) と組み合わせることで、心疾患などの疾患に関連する微小な遺伝子マーカーであるmicroRNAsを、極めて少量でも迅速かつ正確に検出できる新しいバイオチップを開発した。Advanced Materialsに掲載されたこの新しいバイオセンシングプラットフォームは、特別に設計されたナノフォトニックチップと、AIによる自動画像解析を組み合わせている。microRNA検出の現在のゴールドスタンダードであるPCR (polymerase chain reaction) と比べ、新たな装置は検出時間を数時間から20分へ短縮できる。

チップにごく少量の血液を載せるだけで、複数のmicroRNAバイオマーカーを迅速に検出できる。統合されたAI画像機能により、数千のmicroRNAシグナルを1回の撮像で画像化し解析できる。研究チームは、ナノフォトニックチップの画像を取得できるカラーカメラと、AIアルゴリズムを用いてmicroRNA画像を解析し迅速に結果を提示するよう設計された携帯電話アプリを含む、小型プロトタイプを構築した。

microRNAは、体内で働く遺伝子の調節を助ける短いRNA分子である。microRNA量の変化は多くの疾患と関連しているため、科学者らは心血管疾患、がん、神経変性疾患、代謝性疾患などのバイオマーカー候補として研究を進めてきた。microRNAの重要性は、2024年にノーベル生理学・医学賞がmicroRNAの発見と遺伝子調節におけるその役割を評価したことで、改めて強調された。

microRNA検出の課題を克服するため、研究チームはnanocavityを設計した。これは、ヒトの毛髪の幅より数百倍も小さい、光を閉じ込める微小構造である。鏡張りの洞窟のような形状を持つこのnanocavityは、標的microRNAが対応するプローブに結合した際に発する蛍光シグナルを反射・増強する。これにより、単一のmicroRNA分子でさえ検出しやすくなる。

このシステムは、非小細胞肺がんに関連する3種類のmicroRNA、すなわちmiR-191, miR-25, and miR-130aを、増幅や複雑な前処理なしにヒト肺がん細胞抽出物から測定した。標識プローブを必要とするPCRやハイブリダイゼーションキットとは異なり、このプラットフォームは液体試料中の複数のmicroRNAを直接かつ定量的に検出する。また、このプラットフォームはMask R-CNNとして知られる深層学習モデルも用いて、顕微鏡画像を自動解析する。

自動化されたAI画像システムはmicroRNAシグナルを1回で撮像し、その後AIシステムが蛍光シグナルを特定・分類し、異なるmicroRNAタイプを識別する。これにより手作業によるカウントが不要となり、人的誤差が低減される。合成microRNAを生体抽出物に添加した場合にもこのプラットフォームは良好な性能を示し、より現実的な試料条件でも信頼性高く機能する可能性が示唆された。研究者らによると、このプラットフォームは試料中でわずか数分子という極めて低濃度のmicroRNAまで検出でき、異なる試験チャネルにわたる標的同定で99％超の精度を達成した。

研究チームは、複数のmicroRNAを迅速かつ正確に測定できるシステムの構築を目指しており、幅広い疾患に関連するバイオマーカーの検出につながる可能性がある。肺がん細胞を用いた試験の成功は、異なるバイオマーカーを標的とする適切なプローブを用いれば、この技術が心血管疾患やウイルス性疾患を含む、他の多くのがんや疾患にも応用できる可能性を示している。大学のイノベーション・事業化会社であるNTUitiveを通じて、技術開示も提出された。