Ученые Наньянского технологического университета Сингапура разработали новый биочип, который в сочетании с искусственным интеллектом способен быстро и с высокой точностью обнаруживать микроРНК — крошечные генетические маркеры, связанные с различными заболеваниями, включая сердечно-сосудистые болезни, рак и нейродегенеративные расстройства.
Разработка представляет собой нанофотонную платформу, которая анализирует биологические сигналы в сочетании с алгоритмами автоматической обработки изображений на основе ИИ. В основе системы лежит технология, позволяющая фиксировать сигналы от молекул микроРНК и анализировать их в одном «снимке» с помощью встроенного программного обеспечения.
Для анализа требуется всего одна капля крови. После помещения образца в чип система способна одновременно обнаруживать несколько видов микроРНК-биомаркеров. Искусственный интеллект затем обрабатывает тысячи сигналов за одно сканирование, автоматически распознавая и классифицируя молекулы. По словам разработчиков, это значительно ускоряет процесс диагностики по сравнению с традиционным методом ПЦР, который требует многократного копирования генетического материала и занимает несколько часов.
Новая технология позволяет сократить время анализа примерно до 20 минут. При этом, как утверждают исследователи, система демонстрирует высокую точность — более 99% в тестах на определенных биомаркерах. В эксперименте были успешно обнаружены микроРНК, связанные с немелкоклеточным раком легких.
Особенностью разработки является использование наноструктуры, так называемой нанокавити — микроскопической «ловушки света», которая усиливает флуоресцентные сигналы. Когда молекула микроРНК связывается со специальным зондом, структура усиливает свечение, делая даже одиночные молекулы различимыми. Это позволяет фиксировать крайне малые концентрации биомаркеров без необходимости предварительного усиления сигнала.
Обработку данных выполняет модель глубокого обучения Mask R-CNN, которая автоматически анализирует изображения и определяет типы микроРНК. Дополнительно система оснащена компактной камерой и мобильным приложением, которое позволяет получать результаты анализа практически сразу после сканирования.
По словам руководителя исследования, доцента Чэнь Юй-Чэна, технология может в будущем использоваться для массового скрининга заболеваний. В перспективе одна система сможет анализировать сотни или даже тысячи биомаркеров из одного образца крови, слюны или других биологических жидкостей, что откроет возможности для персонализированной медицины.
Исследователи отмечают, что микроРНК уже признаны важными маркерами заболеваний: в 2024 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена за открытия, связанные с их ролью в регуляции генов. Однако их диагностика остается сложной задачей из-за малого размера и схожести молекул.
Новая платформа может решить эту проблему за счет сочетания нанофотонных технологий и искусственного интеллекта, что делает возможным быстрый, точный и потенциально недорогой анализ биомаркеров. В будущем разработчики планируют масштабировать технологию и провести дополнительные клинические исследования совместно с медицинскими и промышленными партнерами.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Advanced Materials.