南洋理工研发AI生物芯片，20分钟精准检测基因标记

新加坡南洋理工大学（NTU）的研究人员团队打造了一款创新生物芯片，通过融合人工智能技术，实现了对极微量microRNA的快速精准识别。

该团队研发的新式芯片在结合人工智能算法后，能够高效检测微量微RNA，这类微小遗传标记与心脏病等多种疾病密切相关。

这项新型生物传感技术已刊登在权威期刊《先进材料》上，其核心在于将特制纳米光子芯片与人工智能自动图像分析技术相融合。

仅需将少量血液滴入芯片，便能迅速筛查多种microRNA生物标志物。得益于内置的AI成像功能，单次成像即可处理数千个microRNA信号。

相较于目前检测微RNA的金标准——PCR技术——这种新设备将耗时数小时的检测流程大幅压缩至20分钟。

微RNA作为短链RNA分子，对调节体内基因表达至关重要。因其水平变化与多种疾病存在关联，科学家们一直致力于探索其在心血管疾病、癌症等领域的潜在生物标志物价值。

南洋理工大学电子电气工程学院副教授陈宇成指出，团队旨在构建一个能快速精准测量多种microRNA的系统，进而有望检测出与各类疾病相关的生物标志物。

“我们在肺癌细胞测试中的成功证实，利用针对特定生物标志物的探针，该技术可广泛应用于多种癌症及心血管、病毒性疾病，”陈教授解释道。作为连续创新者，他于2021年入选《麻省理工科技评论》亚太区35岁以下创新者榜单，并担任南洋理工大学李光前医学院教授。

“未来，该技术有望利用血液或唾液样本，通过自动化系统一次性筛查数百甚至数千种生物标志物，从而促进大规模筛查并推动个性化医疗的进步。”

团队构建了紧凑型原型机，包含能捕捉纳米光子芯片图像的彩色相机，以及通过AI算法分析微RNA并提供快速结果的手机APP。

该创新成果获得了南洋理工大学创新创业计划的支持，并经由该校创业公司NTUitive提交了技术披露文件。

突破microRNA检测难题

2024年诺贝尔生理学或医学奖肯定了microRNA的发现及其在基因调控中的关键作用，凸显了其重要性。

微小RNA分子体积极小且含量低，且相近分子序列相似，难以区分。为此，团队设计了纳米腔，这是一种比人类头发细数百倍的微小光捕获结构。

这种形似镜面洞穴的纳米腔能反射并增强目标microRNA与探针结合时的荧光信号，使单个分子的检测变得可行。

该系统无需扩增或复杂制备，即可直接从人肺癌细胞提取物中测量三种与肺癌相关的microRNA——miR-191、miR-25和miR-130a。

区别于需要标记探针的PCR和杂交试剂盒，NTU平台可直接定量检测液体样本中的多种microRNA。

该平台还采用了名为Mask R-CNN的深度学习模型来自动分析显微图像。

自动化AI成像系统捕获信号后，AI自动识别并分类荧光信号，区分不同microRNA类型，无需人工计数，有效降低人为误差。

在生物提取物中添加合成微RNA的测试中，平台表现优异，证明了其在真实样品条件下工作的可靠性。

研究人员指出，该平台能检测极低浓度的microRNA，即使在样本中仅含几个分子，目标识别准确率在测试通道中也能超过99%。

第一作者、南洋理工大学数字分子分析与科学研究所博士生傅博文表示：“我们的目标是打造一个具备高灵敏度与通量的直接测量平台。通过融合纳米光子信号增强与AI图像分析，我们能在几分钟内检测到纳米腔中微量的RNA分子。”

陈副教授补充：“我们正在探索该平台分析血液、唾液或尿液样本的可能性，这可能带来更微创的分子检测。此外，该设备对制药公司进行miRNA相关药物测试也大有裨益。”

针对这些发现，陈笃生医院顾问医师黄熙副教授发表专家评论：“从临床角度看，利用非侵入性生物标志物进行疾病早期检测和监测仍是未满足的主要需求之一。microRNA在这方面，尤其是癌症领域的潜力早已被认可。”

“能准确检测多种microRNA的平台极具临床价值，涵盖癌症早筛、风险分层及疗效监测。该技术有望使肿瘤学及其他疾病的临床决策更加便捷精准。”

该研究获得了新加坡教育部学术研究基金一级拨款及新加坡科技研究局制造、贸易和互联互通跨学科研究拨款的支持。

陈教授表示，团队将与临床医生及业界人士合作，探讨如何扩大规模，对其他microRNA标记物进行深入试验。

参考资料

Multiplex miRNA Assays 的机器视觉宽带纳米腔成像