一种用于检测神经变性疾病蛋白的新型生物传感器

　　

通过将多种先进技术结合到一个系统中，EPFL的研究人员在诊断帕金森病(PD)和阿尔茨海默病(AD)等神经退行性疾病(ndd)方面取得了重大进展。这种新型装置被称为免疫seira传感器，这是一种生物传感技术，可以检测和鉴定与ndd相关的错误折叠蛋白质生物标志物。今天发表在《科学进展》杂志上的这项研究还利用人工智能(AI)的力量，利用神经网络来量化疾病的阶段和进展。这一重大技术进步不仅为ndd的早期发现和监测带来了希望，也为在疾病进展的各个阶段评估治疗方案带来了希望。

由于缺乏早期发现和监测疾病进展的有效诊断方法，神经退行性疾病的治疗面临着重大挑战。蛋白质错误折叠是神经变性的一种常见机制，已被确定为疾病进展的关键事件。据推测，健康的蛋白质在疾病的早期阶段首先错误折叠成低聚物，在疾病的后期阶段错误折叠成原纤维。这些错误折叠的蛋白质聚集体在大脑和生物体液中循环，也在死亡的NDD患者的大脑中作为沉积物积累。但是，迄今为止，检测这些疾病迹象的工具(即生物标志物)的发展仍然难以捉摸。准确检测的障碍是多方面的，包括当前技术在准确分离和量化不同蛋白质聚集体方面的限制。

将多种先进技术融合到一个传感器中

为了制造这种先进的NDD生物标志物传感器，Hatice Altug教授的生物光子系统实验室(BIOS)和Hilal Lashuel教授的分子神经生物学和神经蛋白质组学实验室(LMNN)的研究人员结合了多个科学领域:蛋白质生物化学、光流体学、纳米技术和人工智能(AI)。“与目前依赖于测量这些分子水平的生化方法不同，我们的方法侧重于检测它们的异常结构。这项技术还使我们能够区分与ndd的发展和进展有关的两种主要异常形式的水平，即低聚物和原纤维，”Lashuel说

免疫SEIRA传感器采用一种称为表面增强红外吸收(SEIRA)光谱的技术。这种方法使科学家能够检测和分析与神经退行性疾病相关的特定疾病相关分子(称为生物标志物)的形式。该传感器配备了独特的免疫测定，其作用就像一个分子侦探，以高精度识别和捕获这些生物标志物。

该论文的主要作者、博士生Deepthy Kavungal说:“在我们的论文中，我们提出了一种集成了纳米等离子体学、洁净室纳米制造、微流体、免疫测定、人工智能和先进生化方法的技术解决方案。”“我们的ImmunoSEIRA传感器具有结构敏感性，并且能够从复杂生物基质中的小样本量中监测一组具有高特异性的互补生物标志物。”

加入纳米技术和人工智能的力量

ImmunoSEIRA传感器具有金纳米棒阵列和抗体，用于特定蛋白质检测。它可以从极小的样本中实时捕获和结构分析目标生物标志物。作为人工智能算法的一个子集，神经网络随后被用来识别特定错误折叠的蛋白质形式、寡聚物和原纤维聚集体的存在，随着疾病的进展，检测精度达到了前所未有的水平。Lashuel认为这是疾病检测方面的重大进步，他补充说:“由于疾病过程与蛋白质结构的变化密切相关，我们相信结构生物标志物，特别是与其他生化和神经退行性生物标志物结合使用时，可以为更精确的诊断和监测疾病进展铺平道路。”

EPFL的研究小组进一步证明了ImmunoSEIRA传感器可以在真实的临床环境中使用，即在生物流体中。他们能够准确地识别异常原纤维的特定特征，这是神经退行性疾病的关键指标，甚至在复杂的液体中，如人类脑脊液(CSF)中也是如此。Altug教授解释说，这项新技术的下一步是“继续扩大其能力，并评估其在帕金森病和由蛋白质错误折叠和聚集引起的越来越多的疾病中的诊断潜力。”

这项研究的结果标志着生物传感、红外光谱、纳米光子学和神经退行性疾病生物标志物领域的重大进展。人工智能辅助免疫seira传感器的部署是早期NDD检测，疾病监测和药物疗效评估的一个受欢迎的进步，解决了及时干预和治疗神经退行性疾病的迫切需求。

文章标题

Artificial intelligence–coupled plasmonic infrared sensor for detection of structural protein biomarkers in neurodegenerative diseases