新加坡南洋理工大學（NTU）的科學家團隊開發出一種新型生物晶片，結合計算機視覺和深度學習技術，能夠在20分鐘內快速、準確地檢測微量的microRNA（miRNA）——一種與心臟病等疾病相關的微小遺傳標記。該研究成果發表在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上。
這種新型生物感測平臺將一種特殊設計的奈米光子晶片與AI自動化影像分析相結合。只需將一滴血載入到晶片上，即可快速檢測多種miRNA生物標誌物。透過整合AI成像功能，單次快照即可成像並分析數千個miRNA訊號。與當前的黃金標準——聚合酶鏈反應（PCR）相比，新裝置的檢測時間從數小時縮短至20分鐘。PCR透過多次複製來檢測微量的遺傳物質，而新平臺無需擴增即可直接檢測。
miRNA是短RNA分子，有助於調節體內基因的工作。由於miRNA水平的變化與許多疾病相關，科學家們一直在研究它們作為心血管疾病、癌症、神經退行性疾病和代謝性疾病等疾病的潛在生物標誌物。
領導這項研究的NTU電氣與電子工程學院陳育成（Chen Yu-Cheng）副教授表示，團隊的目標是構建一個能夠快速、準確測量多種miRNA的系統，並有望檢測與多種疾病相關的生物標誌物。“我們使用肺癌細胞進行的成功測試表明，只要針對不同生物標誌物使用合適的探針，這項技術可能適用於許多其他癌症和疾病，包括心血管和病毒性疾病。未來，或許可以透過血液或唾液樣本，在自動化系統中一次篩查數百甚至數千種生物標誌物。這可以支援大規模篩查，並可能有助於推進個性化醫療。”
團隊已構建了一個緊湊的原型機，包括一個可以拍攝奈米光子晶片影像的彩色攝像頭，以及一個設計用於使用AI演算法分析影像並提供快速結果的手機應用程式。該創新得到了NTU創新與創業計劃的支援，並透過NTUitive（大學的創新與企業公司）提交了技術披露。
克服檢測microRNA的挑戰
microRNA的重要性在2024年得到強調，當時諾貝爾生理學或醫學獎表彰了microRNA的發現及其在基因調控中的作用。microRNA非常小，通常含量極低，且密切相關的microRNA可能具有相似的序列，因此很難區分。為了克服這一挑戰，NTU團隊設計了一種奈米腔——一種比人類頭髮寬度小數百倍的光捕獲結構。這種奈米腔形狀像一面佈滿鏡子的洞穴，可以反射並增強熒光訊號，當目標microRNA與其匹配的探針結合時，熒光訊號會發光。這使得即使檢測單個microRNA分子也變得更容易。
該系統從人類肺癌細胞提取物中測量了三種與非小細胞肺癌相關的microRNA——miR-191、miR-25和miR-130a，無需擴增或複雜製備。與需要標記探針的PCR和雜交試劑盒不同，NTU平臺可以直接定量檢測液體樣品中的多種microRNA。
該平臺還使用一種名為Mask R-CNN的深度學習模型自動分析顯微影像。自動化AI成像系統一次性捕獲microRNA訊號，然後AI系統識別並分類熒光訊號，區分不同的microRNA型別，從而無需手動計數並減少人為錯誤。在合成microRNA新增到生物提取物中的測試中，該平臺也表現良好，表明它可以在更真實的樣本條件下可靠工作。
研究人員表示，該平臺可以檢測極低濃度的microRNA，低至樣品中僅幾個分子，並且在不同的測試通道中實現了超過99%的目標識別準確率。
該研究的第一作者、NTU數字分子分析與科學研究所（IDMxS）的博士生傅博文（Bowen Fu）說：“我們的目標是建立一個能夠直接、高靈敏度、高通量測量多種microRNA的平臺。透過結合奈米光子訊號增強和基於AI的影像分析，我們能夠在幾分鐘內檢測到數千個奈米腔中的微量RNA分子。”
陳教授補充道：“我們還在探索該平臺未來是否能夠分析來自血液、唾液或尿液等樣本的生物標誌物，這可能支援更少侵入性的分子檢測。該裝置也可能有助於製藥公司進行miRNA相關的藥物測試。”
獨立專家評論
譚托克森醫院（Tan Tock Seng Hospital）消化內科與肝病科顧問醫生、專攻人類遺傳學、腸道微生物組和代謝性疾病的臨床科學家王熙（Sunny Wong Hei）副教授對研究結果發表了獨立評論：“從臨床角度來看，一個主要未滿足的需求是利用非侵入性生物標誌物早期檢測和監測疾病。microRNA在這方面長期以來被認為具有潛力，尤其是在癌症中。一個能夠準確檢測多種microRNA的平臺可能具有巨大的臨床應用，包括癌症的早期檢測、患者風險分層以及治療反應或疾病復發的監測。這項技術可能使腫瘤學及一系列疾病的臨床決策更加可及和精確。”
團隊計劃與臨床醫生和行業人士會面，探討如何擴大規模，對其他microRNA標誌物進行進一步試驗。