AI生物芯片20分钟速测遗传标志，精准诊断新时代

新加坡南洋理工大学的一群科学家开发了一种新型生物芯片，配合人工智能使用时，能够快速准确地检测极微量的微小RNA（microRNA），这些是和心脏病等疾病有关的微小遗传标记。这个新生物传感平台在发表于《先进材料》期刊的文章中介绍，它把专门设计的纳米光子芯片和AI自动化图像分析结合在一起。

只要滴一小滴血到芯片上，就能快速检测多种微小RNA生物标志物。有了集成的AI成像功能，就能一次拍下并分析数千个微小RNA信号。

现在检测微小RNA的金标准是PCR（聚合酶链式反应），它通过多次复制来检测微量遗传物质。相比之下，新设备可将检测时间从数小时缩短至20分钟。

微小RNA是短小的RNA分子，有助于调节体内工作的基因。由于微小RNA水平的变化与许多疾病相关，科学家们一直把它们当作心血管疾病、癌症、神经退行性疾病和代谢性疾病等病症可能的生物标志物来研究。

南洋理工大学电机与电子工程学院的陈育正副教授是这项研究的带头人，他说，团队的目标是构建一个能快速准确测量多种微小RNA的系统，还能检测出与多种疾病相关的生物标志物。

“我们针对肺癌细胞的成功测试表明，只要用对针对不同生物标志物的探针，这项技术有望适用于许多其他癌症和疾病，包括心血管和病毒性疾病，”陈教授解释道，他是个创新达人，曾入选2021年《麻省理工科技评论》亚太区35岁以下创新者名单，同时也是南洋理工大学李光前医学院的教授。

“未来，或许可以通过血液或唾液样本，在一个自动化系统中同时筛查数百甚至数千种生物标志物。这样一来，就能支持大规模筛查，还有助于推动个性化医疗。”

该团队已经构建了一个小巧的原型机，上面有个彩色摄像头，能拍纳米光子芯片的图像；还有个手机应用，能用AI算法分析微小RNA的图像，快速出结果。

克服检测微RNA的挑战

2024年，微RNA的重要性凸显出来，当时诺贝尔生理学或医学奖颁给了微RNA的发现及其在基因调控中的作用。

微RNA非常小，通常含量极低，且密切相关的微RNA可能具有相似序列，很难区分它们。为了克服这一问题，NTU团队设计了一种纳米腔，这是一种比头发丝细几百倍的微型捕光结构。

纳米腔里面像镶了镜子的小洞，能够反射并增强目标微RNA与匹配探针结合后发出的荧光信号。这样一来，哪怕只有一个微RNA分子，也能轻松检测到。

该系统从人类肺癌细胞提取物中检测出了与非小细胞肺癌相关的三种微RNA——miR-191、miR-25和miR-130a，不用扩增，也不用复杂的准备工作。

跟那些需要带标记探针的PCR和杂交试剂盒不一样，南洋理工大学（NTU）的平台能直接对液体样本里的多种微RNA进行定量检测。它还用了Mask R-CNN这种深度学习模型，自动分析显微图像。

自动化AI成像系统一次成像就能捕捉到微RNA信号，然后AI系统会识别并分类荧光信号，把不同类型的微RNA区分开，省去了手动计数的步骤，也减少了人为误差。把人工合成的微RNA加到生物提取物里时，这个平台表现也不错，说明它在更贴近实际的样本条件下也能稳定工作。

研究人员说，这个平台能检测到极低浓度的微RNA，低到样本里只有几个分子那么少，而且在不同的测试通道里识别目标的准确率超过了99%。

该研究的第一作者、南洋理工大学数字分子分析与科学研究所（IDMxS）的博士生傅博文说：“我们的目标是打造一个平台，能直接测量多种微RNA，而且灵敏度极高、通量也很大。通过把纳米光子信号增强和基于AI的图像分析结合起来，我们几分钟内就能检测到数千个纳米腔里的微量RNA分子。”

陈副教授补充说：“我们也在探索这个平台是否有一天能够分析来自血液、唾液或尿液等样本的生物标志物，这可能支持微创分子检测。该设备对制药公司在miRNA相关药物测试中可能也有帮助。”

对于这项研究，陈笃生医院肠胃与肝脏科顾问医生、专门研究人类遗传学、肠道微生物组和代谢性疾病的临床科学家黄熙副教授作为独立专家评价说：“从临床角度来看，目前一个很大的未满足需求是用无创的生物标志物早期检测和监测疾病。MicroRNA在这一方面的潜力早已被认可，尤其是在癌症领域。”

“一个能够准确检测多种microRNA的平台可能具有巨大的临床应用价值，包括癌症的早期检测、患者风险分级以及监测治疗反应或疾病是否复发。这类技术有望使肿瘤学及一系列疾病的临床决策更加便捷和精准。”

更多信息： Bowen Fu 等人，基于机器视觉的宽带纳米腔成像用于多重miRNA分析，《先进材料》（2026年）。DOI: 10.1002/adma.202522938