Создан биочип с ИИ, выявляющий биомаркеры заболеваний по капле крови за минуты
Исследователи из Наньянского Технологического Университета (NTU Сингапур) представили биочип, который в сочетании с искусственным интеллектом позволяет быстро выявлять крайне малые количества микроРНК — молекул, связанных с развитием сердечно-сосудистых заболеваний, рака и других патологий. Работа опубликована в журнале Advanced Materials.
Новая платформа объединяет нанофотонный чип и алгоритмы анализа изображений. По сути, это система, которая «видит» молекулы в капле крови и автоматически интерпретирует сигнал.
Как работает технология
Для анализа достаточно небольшой капли крови. Она помещается на чип, где специальные структуры усиливают световые сигналы от микроРНК. Эти сигналы возникают, когда молекулы связываются с заданными зондами.
Ключевой элемент системы — нанополость, микроскопическая структура, которая многократно усиливает флуоресценцию. Она позволяет фиксировать даже единичные молекулы.
Затем встроенная камера делает снимок, а алгоритмы искусственного интеллекта автоматически находят и классифицируют сигналы. Используется модель глубокого обучения Mask R-CNN, которая обрабатывает тысячи сигналов за одно изображение.
Быстрее и проще, чем ПЦР
Сейчас стандартным методом анализа микроРНК считается ПЦР — метод, который требует многократного копирования генетического материала и занимает несколько часов. В большинстве случаев он также включает этапы подготовки образца и лабораторной обработки, чтобы сделать молекулы пригодными для измерения.
Новая система сокращает время диагностики примерно до 20 минут и работает с минимальной подготовкой образца — достаточно капли крови, которую наносят на чип. Затем сигнал усиливается и считывается автоматически с помощью визуализации и алгоритмов искусственного интеллекта. По словам доцента NTU Чен Ю-Ченга, цель разработки — создание универсальной платформы для быстрого анализа множества биомаркеров.
«Наши успешные испытания на клетках рака легких показывают, что при использовании правильных зондов, нацеленных на различные биомаркеры, эта технология потенциально может быть адаптирована для многих других видов рака и заболеваний, включая сердечно-сосудистые и вирусные заболевания».
Что уже удалось достичь
Прототип системы включает компактную камеру и мобильное приложение, которое обрабатывает изображения и сразу выдает результат. В тестах платформа определяла три микроРНК, связанных с раком легких, без этапа амплификации и сложной подготовки.
Система показала способность обнаруживать молекулы в крайне низких концентрациях — вплоть до нескольких единиц в образце, а точность идентификации превышала 99%.
Важный потенциал для медицины
МикроРНК — короткие молекулы, которые регулируют активность генов. Их количество и состав меняются при различных заболеваниях, поэтому их рассматривают как перспективные диагностические маркеры. Однако выявлять их сложно: они присутствуют в низкой концентрации и имеют очень небольшую длину, из-за чего их трудно различать между собой.
Нобелевская премия по физиологии и медицине в 2024 году подчеркнула важность открытия микроРНК и их роли в биологии. Разработка NTU решает эту проблему за счет сочетания усиления сигнала и автоматического анализа изображений.
Ученые считают, что в будущем технология может работать с образцами крови, слюны или мочи и одновременно анализировать сотни или тысячи маркеров. Это откроет возможности для ранней диагностики, мониторинга лечения и персонализированной медицины.
По словам Боуэна Фу, первого автора исследования, цель заключалась в создании системы, способной быстро и точно фиксировать множество микроРНК за счет объединения нанофотонного усиления и ИИ-анализа. Такие платформы могут улучшить раннее выявление рака и оценку эффективности терапии, а также снизить зависимость от инвазивных методов диагностики.
