AI助力“生物传感器革命”：10秒锁定癌症、新冠，开启医疗检测新纪元！

适配体传感器是生物识别领域的关键技术，凭借对目标分子的高特异性和亲和力，在环境监测、食品安全和医疗诊断等多领域广泛应用。其中，电化学适配体传感器因高灵敏度、成本效益高及与微加工工艺兼容性好等优势脱颖而出，尤其适用于现场检测和即时诊断。

近期，一项发表于Heliyon的研究指出，AI优化的电化学适配体传感器正为疾病诊断领域带来重大变革，在神经退行性疾病、癌症和冠状病毒检测方面展现出巨大潜力。

研究内容

研究显示，AI技术的融入显著提升了电化学适配体传感器的性能。在检测癌症、神经退行性疾病和冠状病毒相关生物标志物时，普通适配体传感器灵敏度仅60-75%，而AI优化后的传感器可达85-95%；特异性也从70-80%跃升至90-98%。同时，AI还将检测限大幅降低，如癌胚抗原（CEA）低至10fM，甲胎蛋白（AFP）低至5fM。并且，AI优化使传感器的响应时间从10-15秒缩短到2-3秒，数据处理速度从每份样本10-20分钟提升到2-5分钟，校准误差也从5-10%锐减至小于2%。

图 1 核酸适配体传感器的工作机制以及与AI集成的协同方法

在癌症检测中，多种电化学技术各展优势。电化学阻抗谱（EIS）对癌胚抗原（CEA）检测限低至10fM，可精准监测生物分子相互作用；差分脉冲伏安法（DPV）能有效检测前列腺特异性抗原（PSA）等标志物，检测限达1pM；方波伏安法（SWV）对甲胎蛋白（AFP）检测限为5fM，在肝癌早期诊断中意义重大；电位适配体传感器对上皮细胞黏附分子（EpCAM）检测限为100fM，有助于监测癌症转移（图1）。

图 2 电化学生物传感器利用电极作为固定生物分子和允许电子传输的关键组件示意图

对于神经退行性疾病，早期检测至关重要。研究人员通过改进适配体，结合纳米材料和AI技术，提升了传感器对相关生物标志物的检测能力。如EIS传感器对淀粉样蛋白β（Aβ）肽检测限为50fM，DPV传感器对tau蛋白检测限为1pM，这些数据表明该技术在早期诊断和疾病监测方面前景广阔（图2）。

图 3 电化学核酸适配体传感器利用核酸适配体（DNA或RNA分子）与特定目标结合

新冠疫情凸显了快速可靠诊断方法的重要性。电化学适配体传感器在新冠病毒检测中表现出色，能实现早期、连续监测。不同类型传感器，如基于EIS、DPV和SWV的传感器，凭借不同的表面修饰和检测机制，展现出各异的检测限和特异性，为疫情防控提供了有力支持（图3）。

尽管AI优化的电化学生物传感器在性能上表现出色，但其成本相对较高，每台设备的价格在500到1500美元之间。然而，考虑到其在提高诊断准确性、缩短检测时间和扩展应用范围方面的显著优势，这种投资在许多医疗应用中是值得的。此外，这些传感器的便携性使其能够在移动设备上运行，进一步提高了其在远程和资源有限地区的适用性。

随着技术的不断进步，电化学生物传感器有望在未来实现更高的灵敏度和特异性。研究人员正在探索将这些传感器与便携设备和现场诊断系统集成的可能性，以进一步提高患者护理的效率和可及性。通过优化传感器设计和操作条件，以及利用AI算法进行数据分析，电化学生物传感器有望在临床环境中发挥更大的作用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e41338