تم إنشاء شريحة حيوية مزودة بالذكاء الاصطناعي يمكنها تحديد المؤشرات الحيوية للأمراض من خلال قطرة دم في دقائق

قدم باحثون من جامعة نانيانغ التكنولوجية (NTU سنغافورة) رقاقة حيوية يمكنها، جنبًا إلى جنب مع الذكاء الاصطناعي، التعرف بسرعة على كميات صغيرة للغاية من الحمض النووي الريبي الميكروي (microRNA) – الجزيئات المرتبطة بتطور أمراض القلب والأوعية الدموية والسرطان وغيرها من الأمراض. تم نشر العمل في المجلة مواد متقدمة.

تجمع المنصة الجديدة بين شريحة النانو الضوئية وخوارزميات تحليل الصور. في الأساس، هذا نظام “يرى” الجزيئات الموجودة في قطرة دم ويفسر الإشارة تلقائيًا.

كيف تعمل التكنولوجيا

قطرة صغيرة من الدم تكفي لإجراء الاختبار. يتم وضعها على شريحة، حيث تعمل الهياكل الخاصة على تضخيم الإشارات الضوئية من microRNAs. تحدث هذه الإشارات عندما ترتبط الجزيئات بمسبارات محددة.

العنصر الأساسي في النظام هو التجويف النانوي، وهو هيكل مجهري يعزز التألق بشكل كبير. انها تسمح لك بالتقاط حتى جزيئات واحدة.

تقوم الكاميرا المدمجة بعد ذلك بالتقاط صورة، وتقوم خوارزميات الذكاء الاصطناعي تلقائيًا بالعثور على الإشارات وتصنيفها. يتم استخدام نموذج التعلم العميق Mask R-CNN، الذي يعالج آلاف الإشارات لكل صورة.

أسرع وأسهل من PCR

حاليًا، الطريقة القياسية لتحليل microRNA هي PCR، وهي طريقة تتطلب نسخًا متعددة من المادة الوراثية وتستغرق عدة ساعات. وفي معظم الحالات، يتضمن أيضًا خطوات تحضير العينة والمعالجة المعملية لجعل الجزيئات مناسبة للقياس.

يقلل النظام الجديد وقت التشخيص إلى حوالي 20 دقيقة ويعمل مع الحد الأدنى من تحضير العينة – مجرد قطرة دم يتم وضعها على الشريحة. يتم بعد ذلك تضخيم الإشارة وقراءتها تلقائيًا باستخدام خوارزميات التصوير والذكاء الاصطناعي. وفقًا للأستاذ المشارك تشين يو تشينغ بجامعة NTU، فإن الهدف من التطوير هو إنشاء منصة عالمية للتحليل السريع للمؤشرات الحيوية المتعددة.

“تُظهر تجاربنا الناجحة على خلايا سرطان الرئة أنه باستخدام المجسات الصحيحة التي تستهدف المؤشرات الحيوية المختلفة، من المحتمل أن يتم تكييف هذه التكنولوجيا مع العديد من أنواع السرطان والأمراض الأخرى، بما في ذلك أمراض القلب والأوعية الدموية والأمراض الفيروسية.”

ما تم تحقيقه بالفعل

يتضمن النموذج الأولي للنظام كاميرا مدمجة وتطبيقًا للهاتف المحمول يعالج الصور ويعرض النتائج على الفور. وفي الاختبارات، حددت المنصة ثلاثة جزيئات من الرنا الميكروي مرتبطة بسرطان الرئة دون أي خطوة تضخيم أو تحضير معقد.

وأظهر النظام القدرة على اكتشاف الجزيئات بتركيزات منخفضة للغاية، تصل إلى بضع وحدات في العينة، وتجاوزت دقة تحديد الهوية 99%.

إمكانات مهمة للطب

MicroRNAs هي جزيئات قصيرة تنظم نشاط الجينات. وتختلف كميتها وتركيبتها باختلاف الأمراض، لذا فهي تعتبر علامات تشخيصية واعدة. ومع ذلك، يصعب اكتشافها: فهي موجودة بتركيزات منخفضة وقصيرة جدًا في الطول، مما يجعل من الصعب تمييزها عن بعضها البعض.

جائزة نوبل في الفسيولوجيا أو الطب عام 2024 وشدد على أهمية الافتتاح microRNAs وأدوارها في علم الأحياء. يعمل تطوير NTU على حل هذه المشكلة من خلال الجمع بين تضخيم الإشارة والتحليل التلقائي للصور.

ويعتقد العلماء أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تعمل في المستقبل مع عينات الدم أو اللعاب أو البول، وأن تحلل في الوقت نفسه مئات أو آلاف العلامات. وهذا سيفتح فرصًا للتشخيص المبكر ومراقبة العلاج والطب الشخصي.

وفقًا لبوين فو، المؤلف الأول للدراسة، كان الهدف هو إنشاء نظام قادر على التقاط العديد من الرنا الميكروي بسرعة ودقة من خلال الجمع بين التضخيم الضوئي النانوي وتحليل الذكاء الاصطناعي. وتتمتع مثل هذه المنصات بالقدرة على تحسين الكشف المبكر عن السرطان وتقييم فعالية العلاج، وتقليل الاعتماد على طرق التشخيص الغازية.