通過將多種先進技術結合到一個系統(tǒng)中，洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員在診斷帕金森病 （PD ）和阿爾茨海默病 （AD）等神經(jīng)退行性疾病 （NDD）方面取得了重大進展。

《EurekAlert》

7月12日消息

 這種新穎的設備被稱為 ImmunoSEIRA 傳感器，這是一種生物傳感技術，能夠檢測和識別與 NDD 相關的錯誤折疊蛋白質(zhì)生物標志物。近日發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）上的這項研究還利用人工智能（AI）的力量，利用神經(jīng)網(wǎng)絡來量化疾病階段和進展。這一重大技術進步不僅有望實現(xiàn) NDD 的早期檢測和監(jiān)測，而且有助于評估疾病進展各個階段的治療方案。

研究于2023年7月12日發(fā)表在《Science Advances》（最新影響因子：13.6）雜志上

由于缺乏早期檢測和監(jiān)測疾病進展的有效診斷方法，神經(jīng)退行性疾病的治療面臨重大挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)錯誤折疊是神經(jīng)退行性變的常見機制，已被確定為疾病進展的關鍵事件。

據(jù)推測，健康蛋白質(zhì)在疾病早期首先錯誤折疊成寡聚體，并在疾病后期錯誤折疊成原纖維。這些錯誤折疊的蛋白質(zhì)聚集體在大腦和生物液中循環(huán)，并且也在已故 NDD 患者的大腦中積累為沉積物。

但迄今為止，檢測這些疾病跡象（稱為生物標志物）的工具的開發(fā)仍然難以捉摸。準確檢測的障礙是多方面的，包括當前技術在準確分離和定量不同蛋白質(zhì)聚集體方面的限制。

這張信息圖解釋了用于檢測與帕金森病和阿爾茨海默病相關的錯誤折疊蛋白的生物傳感器ImmunoSEIRA的過程

將多種先進技術融合到一個傳感器中

為了創(chuàng)造這種先進的 NDD 生物標志物傳感器，Hatice Altug 教授的生物納米光子系統(tǒng)實驗室 （BIOS）和 Hilal Lashuel 教授的分子神經(jīng)生物學和神經(jīng)蛋白質(zhì)組學實驗室（LMNN）的研究人員結合了多個科學領域：蛋白質(zhì)生物化學、光流控、納米技術和人工智能。“與當前依賴于測量這些分子水平的生化方法不同，我們的方法側(cè)重于檢測它們的異常結構。這項技術還使我們能夠區(qū)分與 NDD、寡聚物的發(fā)育和進展有關的兩種主要異常形式的水平。和原纖維，” Lshuel 說。

ImmunoSEIRA 傳感器采用一種稱為表面增強紅外吸收（SEIRA）光譜的技術。這種方法使科學家能夠檢測和分析與神經(jīng)退行性疾病相關的特定疾病相關分子（稱為生物標志物）的形式。該傳感器配備了獨特的免疫分析，就像分子偵探一樣，高精度地識別和捕獲這些生物標志物。

“在我們的論文中，我們提出了一種集成了納米等離子體、潔凈室納米制造、微流體、免疫分析、人工智能和先進生化方法的技術解決方案，”該論文主要作者 Deepthy Kavungal 博士說，“我們的 ImmunoSEIRA 傳感器具有結構敏感性，并且能夠從復雜生物基質(zhì)中的小樣本量中監(jiān)測一組具有高特異性的互補生物標志物。”

加入納米技術和人工智能的力量

ImmunoSEIRA 傳感器采用金納米棒陣列，帶有用于特定蛋白質(zhì)檢測的抗體。它能夠從極小的樣品中實時特異性捕獲目標生物標志物并進行結構分析。然后，神經(jīng)網(wǎng)絡（人工智能算法的一個子集）被用來識別特定錯誤折疊蛋白質(zhì)形式、寡聚體和原纖維聚集體的存在，隨著疾病的進展，實現(xiàn)了前所未有的檢測準確性水平。Lashuel 認為這是疾病檢測方面的重大進步，并補充道，“由于疾病過程與蛋白質(zhì)結構的變化密切相關，我們相信結構生物標志物，特別是與其他生化和神經(jīng)退行性生物標志物整合時，可以為檢測疾病鋪平道路。更精確地診斷和監(jiān)測疾病進展。”

EPFL 研究團隊更進一步表明，ImmunoSEIRA 傳感器可用于真實的臨床環(huán)境，即生物流體。他們能夠準確識別異常原纖維的特定特征，這是神經(jīng)退行性疾病的關鍵指標，甚至在人腦脊液 (CSF) 等復雜液體中也是如此。Altug 教授解釋說，這項新技術的下一步“是繼續(xù)擴大其能力，并評估其在帕金森病以及由蛋白質(zhì)錯誤折疊和聚集引起的越來越多疾病方面的診斷潛力。”

這項研究的結果標志著生物傳感、紅外光譜、納米光子學和神經(jīng)退行性疾病生物標志物領域的重大進步。人工智能輔助的 ImmunSEIRA 傳感器的部署對于早期 NDD 檢測、疾病監(jiān)測和藥物療效評估來說是一個值得歡迎的進步，滿足了及時干預和治療神經(jīng)退行性疾病的迫切需求。

始創(chuàng)于1853年的瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院

參考文獻

Source：École Polytechnique Fédérale de Lausanne

A novel biosensor for detecting neurogenerative disease proteins

Reference：

Deepthy Kavungal et al. ,Artificial intelligence–coupled plasmonic infrared sensor for detection of structural protein biomarkers in neurodegenerative diseases.Sci. Adv.9,eadg9644(2023).DOI:10.1126/sciadv.adg9644

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       原文標題 : 一種用于檢測神經(jīng)退行性疾病蛋白的新型生物傳感器