通過將多種先進(jìn)技術(shù)結(jié)合到一個(gè)系統(tǒng)中，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(jìn)展。

《EurekAlert》

7月12日消息

 這種新穎的設(shè)備被稱為 ImmunoSEIRA 傳感器，這是一種生物傳感技術(shù)，能夠檢測(cè)和識(shí)別與 NDD 相關(guān)的錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)生物標(biāo)志物。近日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上的這項(xiàng)研究還利用人工智能（AI）的力量，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來量化疾病階段和進(jìn)展。這一重大技術(shù)進(jìn)步不僅有望實(shí)現(xiàn) NDD 的早期檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，而且有助于評(píng)估疾病進(jìn)展各個(gè)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(cè)和監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)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(cuò)誤折疊是神經(jīng)退行性變的常見機(jī)制，已被確定為疾病進(jìn)展的關(guān)鍵事件。

據(jù)推測(cè)，健康蛋白質(zhì)在疾病早期首先錯(cuò)誤折疊成寡聚體，并在疾病后期錯(cuò)誤折疊成原纖維。這些錯(cuò)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(cè)這些疾病跡象（稱為生物標(biāo)志物）的工具的開發(fā)仍然難以捉摸。準(zhǔn)確檢測(cè)的障礙是多方面的，包括當(dāng)前技術(shù)在準(zhǔn)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(cè)與帕金森病和阿爾茨海默病相關(guān)的錯(cuò)誤折疊蛋白的生物傳感器ImmunoSEIRA的過程

將多種先進(jìn)技術(shù)融合到一個(gè)傳感器中

為了創(chuàng)造這種先進(jìn)的 NDD 生物標(biāo)志物傳感器，Hatice Altug 教授的生物納米光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室 （BIOS）和 Hilal Lashuel 教授的分子神經(jīng)生物學(xué)和神經(jīng)蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LMNN）的研究人員結(jié)合了多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域：蛋白質(zhì)生物化學(xué)、光流控、納米技術(shù)和人工智能。“與當(dāng)前依賴于測(cè)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(cè)它們的異常結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)還使我們能夠區(qū)分與 NDD、寡聚物的發(fā)育和進(jìn)展有關(guān)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(qiáng)紅外吸收（SEIRA）光譜的技術(shù)。這種方法使科學(xué)家能夠檢測(cè)和分析與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的特定疾病相關(guān)分子（稱為生物標(biāo)志物）的形式。該傳感器配備了獨(dú)特的免疫分析，就像分子偵探一樣，高精度地識(shí)別和捕獲這些生物標(biāo)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(jìn)生化方法的技術(shù)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(jié)構(gòu)敏感性，并且能夠從復(fù)雜生物基質(zhì)中的小樣本量中監(jiān)測(cè)一組具有高特異性的互補(bǔ)生物標(biāo)志物。”

加入納米技術(shù)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(cè)的抗體。它能夠從極小的樣品中實(shí)時(shí)特異性捕獲目標(biāo)生物標(biāo)志物并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。然后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（人工智能算法的一個(gè)子集）被用來識(shí)別特定錯(cuò)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(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了前所未有的檢測(cè)準(zhǔn)確性水平。Lashuel 認(rèn)為這是疾病檢測(cè)方面的重大進(jìn)步，并補(bǔ)充道，“由于疾病過程與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)，我們相信結(jié)構(gòu)生物標(biāo)志物，特別是與其他生化和神經(jīng)退行性生物標(biāo)志物整合時(shí)，可以為檢測(cè)疾病鋪平道路。更精確地診斷和監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展。”

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

這項(xiàng)研究的結(jié)果標(biāo)志著生物傳感、紅外光譜、納米光子學(xué)和神經(jīng)退行性疾病生物標(biāo)志物領(lǐng)域的重大進(jìn)步。人工智能輔助的 ImmunSEIRA 傳感器的部署對(duì)于早期 NDD 檢測(cè)、疾病監(jiān)測(cè)和藥物療效評(píng)估來說是一個(gè)值得歡迎的進(jìn)步，滿足了及時(shí)干預(yù)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(xué)院

參考文獻(xiàn)

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(biāo)題 : 一種用于檢測(cè)神經(jīng)退行性疾病蛋白的新型生物傳感器