光與硅納米結(jié)構(gòu)相互作用，可用來監(jiān)測(cè)癌癥

當(dāng)光與硅納米結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，能檢測(cè)到癌癥外泌體。EPFL的研究人員，開發(fā)了一種基于納米光子學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)的技術(shù)，可以在早期檢測(cè)和監(jiān)測(cè)癌癥生物標(biāo)志物。他們的研究，發(fā)表在《自然通訊》上。

醫(yī)生會(huì)檢查患者的體液，例如血液、尿液、唾液或鼻拭子，以進(jìn)行診斷。這是因?yàn)榇祟惿锪黧w中的物質(zhì)，可能提供有關(guān)一個(gè)人健康狀況的重要信息。生物傳感器是新興設(shè)備，能夠分析此類生物樣本并尋找指示疾病的物質(zhì)。

COVID-19測(cè)試是最新的生物傳感器示例，從體液中，他們可以檢測(cè)到病毒表面的生物分子（蛋白質(zhì)）、病毒遺傳物質(zhì)（RNA/DNA），甚至人體對(duì)病毒的免疫反應(yīng)（抗體）等各種物質(zhì)。這些可能標(biāo)志著疾病存在的生物物質(zhì)，被稱為生物標(biāo)志物。

癌癥的數(shù)量正在增加

在這方面，生物傳感器通過支持傳染病管理，以預(yù)防流行病和診斷危及生命的疾病（如癌癥）而成為醫(yī)療保健的典型。作為全球第二大死因，癌癥每年造成超過900萬人死亡，而且這個(gè)數(shù)字還在繼續(xù)增加。“早期診斷通常與癌癥患者治愈、完全康復(fù)和更高生活質(zhì)量的可能性增加有關(guān)。因此，獲得用于早期癌癥檢測(cè)和治療監(jiān)測(cè)的可靠生物傳感器非常重要，”HaticeAltug說，工程學(xué)院生物納米光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。

一種顏色的光

為了對(duì)社會(huì)產(chǎn)生重大影響，生物傳感器必須快速、低成本、易于使用、緊湊和自主，以便醫(yī)生、護(hù)理人員、護(hù)理人員和患者自己可以方便地使用它們。光學(xué)技術(shù)是強(qiáng)大的方法，對(duì)生物傳感非常有吸引力。“大多數(shù)光學(xué)生物傳感器需要多種顏色的光，如彩虹，才能可靠地運(yùn)行。這一事實(shí)需要使用笨重、昂貴且復(fù)雜的儀器，例如光譜儀，以從光譜的每種顏色中提取最精確的數(shù)據(jù)，限制了光學(xué)生物傳感器的廣泛使用，”博士助理YasamanJahani說。為了解決這個(gè)問題，EPFL科學(xué)家引入了一個(gè)新概念，該概念允許僅使用一種顏色的光來與簡(jiǎn)單的成像檢測(cè)器一起工作。然而，該系統(tǒng)提供了高度準(zhǔn)確的生物傳感信息，就好像傳感器被整條彩虹照亮一樣。

納米光子學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)

新方法利用了兩個(gè)聰明的技巧：納米光子學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)。用于生物傳感的光學(xué)芯片包括由硅制成的納米結(jié)構(gòu)。這種徹底改變了微電子行業(yè)的材料現(xiàn)在在納米光子學(xué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。具有100nm數(shù)量級(jí)特征的納米結(jié)構(gòu)硅表面，有效地將光捕獲在生物樣品/芯片界面上。“這使得生物傳感器對(duì)生物標(biāo)志物的存在非常敏感，導(dǎo)致入射光特征的明顯變化。在設(shè)備中，這個(gè)特征是收集光“量”的變化，稱為光強(qiáng)度，”YasamanJahani說。典型的相機(jī)連續(xù)接收穿過生物芯片的光，從生物芯片獲取一系列圖像，其中包含數(shù)百萬個(gè)圖像像素的強(qiáng)度信息。“當(dāng)生物標(biāo)志物附著在生物芯片上的納米結(jié)構(gòu)上時(shí)，強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，圖像是根據(jù)每個(gè)像素的誘導(dǎo)強(qiáng)度變化，以非常高的分辨率編譯的，”教授補(bǔ)充道。

彩虹之光

考慮到一個(gè)像素的信號(hào)，可能存在噪聲和欺騙性，研究人員使用數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)，結(jié)合預(yù)先記錄的性能圖，通過考慮每個(gè)像素的效率并調(diào)整其對(duì)最終讀數(shù)的貢獻(xiàn)，巧妙地處理來自這些大量像素的強(qiáng)度信息以集體方式。“在日常生活中，這個(gè)過程類似于通過仔細(xì)權(quán)衡他們對(duì)該領(lǐng)域的知識(shí)，而不是平等地依賴他們，從一組專家的意見中得出可靠的結(jié)論。這有助于通過最大限度地減少、可能不準(zhǔn)確信息的貢獻(xiàn)來完善結(jié)論來自一個(gè)人，”HaticeAltug說。通過這種方式，研究人員能夠利用單色光，并且仍然能夠獲得類似于從彩虹中獲得的高度穩(wěn)健的生物傳感結(jié)果，同時(shí)無需復(fù)雜、笨重和昂貴的儀器。

監(jiān)測(cè)癌癥外泌體

作為演示，科學(xué)家們通過檢測(cè)作為早期癌癥生物標(biāo)志物的腫瘤外泌體，將新的生物傳感器應(yīng)用于癌癥診斷。腫瘤來源的外泌體在體液中以直徑為100納米的微小囊泡形式循環(huán)。它們由癌細(xì)胞分泌并攜帶重要信息，例如癌癥類型及其分期。“越來越多的數(shù)據(jù)表明，腫瘤衍生的外泌體不僅是癌細(xì)胞的廢物，而且被腫瘤用來促進(jìn)其在遠(yuǎn)處的生長(zhǎng)，這是一個(gè)通常致命的過程，稱為轉(zhuǎn)移，”參與這項(xiàng)研究的MicheleDePalma說。EPFL的基于成像的傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)乳房癌外泌體在廣泛的檢測(cè)范圍內(nèi)，與健康和患病個(gè)體的臨床相關(guān)。

研究人員認(rèn)為，他們的方法為未來高度可靠、緊湊和低成本的傳感設(shè)備，提供了獨(dú)特的可能性，尤其是與人工智能進(jìn)一步結(jié)合時(shí)。此類健康監(jiān)測(cè)設(shè)備有望成為下一代醫(yī)療保健網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，以改善健康和安全。