AI驱动生物芯片可在20分钟内检测遗传标志物
NTU Singapore的科学家开发出一种由AI驱动的生物芯片，可在20分钟内检测多种微小RNA生物标志物。该平台结合纳米光子芯片与自动图像分析，在不同测试通道中识别目标的准确率超过99%。
来自 NTU Singapore 的一组科学家开发出一种新型生物芯片，与 人工智能（AI） 配合使用时，可快速且准确地检测出极微量的 微小RNA（microRNA）——这类微小遗传标志物与心脏病等疾病相关。发表于 Advanced Materials 的这项新型生物传感平台，将专门设计的纳米光子芯片与AI自动图像分析相结合。与当前检测微小RNA的金标准——PCR（聚合酶链式反应）——相比，这种新设备可将检测时间从数小时缩短至20分钟。
只需将一小滴血液加入芯片中，它就能快速检测多种微小RNA生物标志物。借助其集成的AI成像功能，数千个微小RNA信号可在一次快照中完成成像和分析。研究团队已构建出一个紧凑型原型系统，其中包括可采集纳米光子芯片图像的彩色相机，以及一款利用AI算法分析微小RNA图像并快速给出结果的手机应用程序。
微小RNA是帮助调控体内基因活动的短链RNA分子。由于微小RNA水平的变化与多种疾病有关，科学家一直在研究其作为生物标志物的潜力，以用于心血管疾病、癌症、神经退行性疾病和代谢性疾病等病症。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，这进一步凸显了微小RNA的重要性。
为克服微小RNA检测中的挑战，研究团队设计了一种 纳米腔，这是一种捕获光线的微小结构，其尺寸比人类头发丝的宽度小数百倍。纳米腔形似内部衬有镜面的洞穴，当目标微小RNA与其匹配探针结合时产生的荧光信号，会在其中被反射并增强。这使得即使是单个微小RNA分子也更容易被检测到。
该系统无需扩增或复杂制备，即可从人肺癌细胞提取物中测量出与非小细胞肺癌相关的3种微小RNA——miR-191、miR-25 和 miR-130a。不同于需要标记探针的PCR和杂交检测试剂盒，该平台可对液体样本中的多种微小RNA进行直接、定量检测。该平台还采用名为 Mask R-CNN 的深度学习模型来自动分析显微图像。
自动化AI成像系统可一次性捕捉微小RNA信号，随后AI系统识别并分类荧光信号，区分不同类型的微小RNA，从而无需人工计数并减少人为误差。当研究人员将合成微小RNA加入生物提取物中时，该平台同样表现良好，这表明它在更接近真实情况的样本条件下也能可靠运行。研究人员表示，该平台可检测极低浓度的微小RNA，低至样本中的仅几个分子，并且在不同测试通道中识别目标的准确率超过99%。
研究团队的目标是构建一种能够快速、准确测量多种微小RNA的系统，从而有望检测与广泛疾病相关的生物标志物。其在肺癌细胞中的成功测试表明，只要配备针对不同生物标志物的适当探针，这项技术未来有望适配于许多其他癌症和疾病，包括心血管疾病和病毒性疾病。相关技术披露已通过该大学的创新与企业公司 NTUitive 提交。