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EPFL的研究人员开发了一种基于纳米光子学和数据科学的技术

EPFL 的研究人员开发了一种基于纳米光子学和数据科学的技术,可以在早期检测和监测癌症生物标志物。他们的研究发表在《自然通讯》上。

医生会检查患者的体液,例如血液、尿液、唾液或鼻拭子,以进行诊断。这是因为此类生物流体中的物质可能提供有关一个人健康状况的重要信息。生物传感器是新兴设备,能够分析此类生物样本并寻找指示疾病的物质。COVID-19 测试是最新的生物传感器示例。从体液中,他们可以检测到病毒表面的生物分子(蛋白质)、病毒遗传物质(RNA/DNA),甚至人体对病毒的免疫反应(抗体)等各种物质。这些可能标志着疾病存在的生物物质被称为生物标志物。

癌症的数量正在增加

在这方面,生物传感器通过支持传染病管理以预防流行病和诊断危及生命的疾病(如癌症)而成为医疗保健的典型。作为全球第二大死因,癌症每年造成超过 900 万人死亡,而且这个数字还在继续增加。“早期诊断通常与癌症患者治愈、完全康复和更高生活质量的可能性增加有关。因此,获得用于早期癌症检测和治疗监测的可靠生物传感器非常重要,”Hatice Altug 说,工程学院生物纳米光子系统实验室负责人。

一种颜色的光

为了对社会产生重大影响,生物传感器必须快速、低成本、易于使用、紧凑和自主,以便医生、护理人员、护理人员和患者自己可以方便地使用它们。光学技术是强大的方法,对生物传感非常有吸引力。“大多数光学生物传感器需要多种颜色的光,如彩虹,才能可靠地运行。这一事实需要使用笨重、昂贵且复杂的仪器,例如光谱仪,以从光谱的每种颜色中提取最精确的数据,限制了光学生物传感器的广泛使用,”博士助理 Yasaman Jahani 说。为了解决这个问题,EPFL 科学家引入了一个新概念,该概念允许仅使用一种颜色的光来与简单的成像检测器一起工作。然而,该系统提供了高度准确的生物传感信息,就好像传感器被整条彩虹照亮一样。

纳米光子学和数据科学

新方法利用了两个聪明的技巧:纳米光子学和数据科学技术。用于生物传感的光学芯片包括由硅制成的纳米结构。这种彻底改变了微电子行业的材料现在在纳米光子学中发挥着关键作用。具有 100 nm 数量级特征的纳米结构硅表面有效地将光捕获在生物样品/芯片界面上。“这使得生物传感器对生物标志物的存在非常敏感,导致入射光特征的明显变化。在设备中,这个特征是收集光“量”的变化,称为光强度,”Yasaman Jahani 说。典型的相机连续接收穿过生物芯片的光线,从生物芯片获取一系列图像,其中包含数百万个图像像素的强度信息。“当生物标志物附着在生物芯片上的纳米结构上时,强度会发生变化图像是根据每个像素的诱导强度变化以非常高的分辨率编译的,”教授补充道。

彩虹之光

考虑到一个像素的信号可能存在​​噪声和欺骗性,研究人员使用数据科学技术结合预先记录的性能图,通过考虑每个像素的效率并调整其对最终读数的贡献,巧妙地处理来自这些大量像素的强度信息以集体方式。“在日常生活中,这个过程类似于通过仔细权衡他们对该领域的知识,而不是平等地依赖他们,从一组专家的意见中得出可靠的结论。这有助于通过最大限度地减少可能不准确信息的贡献来完善结论来自一个人,” Hatice Altug 说。通过这种方式,研究人员能够利用单色光 并且仍然能够获得类似于从彩虹中获得的高度稳健的生物传感结果,同时无需复杂、笨重和昂贵的仪器

监测癌症外泌体

作为演示,科学家们通过检测作为早期癌症生物标志物的肿瘤外泌体,将新的生物传感器应用于癌症诊断。肿瘤来源的外泌体在体液中以直径为 100 纳米的微小囊泡形式循环。它们由癌细胞分泌并携带重要信息,例如癌症类型及其分期。“越来越多的数据表明,肿瘤来源的外泌体不仅是癌细胞的废物,而且被肿瘤用来促进其在远处的生长,这是一个通常致命的过程,称为转移,”参与这项研究的 Michele De Palma 说。 . EPFL的基于成像的传感器可以实时监测乳房癌 外泌体在广泛的检测范围内与健康和患病个体的临床相关。

研究人员认为,他们的方法为未来高度可靠、紧凑和低成本的传感设备提供了独特的可能性,尤其是与人工智能进一步结合时。此类健康监测设备有望成为下一代医疗保健网络的重要组成部分,以提高福祉和安全性。

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