用光监测癌症
EPFL的研究人员开发了一种基于纳米光子学和数据科学的技术，可以在早期阶段检测和监测癌症生物标志物。他们的研究发表在自然通讯．
医生检查病人的体液，如血液、尿液、唾液或鼻拭子，以进行诊断。这是因为这种生物液体中的物质可能提供有关一个人的健康状态的重要信息。生物传感器是一种新兴的设备，能够分析这种生物样本并寻找疾病的指示物质。COVID-19检测是生物传感器的最新例子。从体液中，它们可以检测到各种物质，如病毒表面的生物分子(蛋白质)、病毒遗传物质(RNA/DNA)，甚至是人体对病毒的免疫反应(抗体)。这些可能标志疾病存在的生物物质被称为生物标记物。
癌症的数量正在增加
在这方面，生物传感器是卫生保健的精髓所在，它支持传染病的管理，以防止大流行和癌症等威胁生命的疾病的诊断。癌症是全球第二大死亡原因，每年造成900多万人死亡，而且这个数字还在继续增加。“对癌症患者来说，早期诊断通常与治愈、完全康复和更高的生活质量有关。因此，获得用于早期癌症检测和治疗监测的可靠生物传感器是极其重要的，”工程学院生物光子系统实验室主任Hatice Altug说。
一种颜色的光
为了对社会产生重大影响，生物传感器必须快速、低成本、易于使用、紧凑和自主，以便医生、护理人员、护理人员和患者自己都能方便地使用。光学技术是生物传感的有力手段。“大多数光学生物传感器需要各种颜色的光，比如彩虹，才能可靠地工作。这一事实需要使用笨重、昂贵和复杂的仪器，如光谱仪，从每种颜色的光谱中提取最精确的数据，这限制了光学生物传感器的广泛使用，”博士助理Yasaman Jahani说。为了解决这个问题，EPFL的科学家们引入了一种新的概念，允许只使用一种颜色的光来操作一个简单的成像探测器。然而，该系统提供了高度精确的生物传感信息，就像传感器被整个彩虹照亮一样。
纳米光子学与数据科学
这种新方法利用了两个聪明的技巧:纳米光子学和数据科学技术。用于生物传感的光学芯片由硅制成的纳米结构组成。这种材料彻底改变了微电子工业，现在在纳米光子学中发挥着关键作用。具有100纳米量级特征的纳米结构硅表面能有效地捕获生物样品/芯片界面上的光。“这使得生物传感器对生物标记物的存在非常敏感，导致入射光特征的明显变化。在器件中，这种特性就是所收集光的“量”的变化光强度Yasaman Jahani说。典型的相机连续接收通过生物芯片的光，从生物芯片获得一系列图像，其强度信息超过数百万图像像素。教授补充说:“当生物标记物附着在生物芯片上的纳米结构上时，强度变化图像就会以非常高的分辨率从每个像素的诱导强度变化中编译出来。”
彩虹之光
考虑到一个像素的信号可能是噪声和欺骗性的，研究人员使用数据科学技术结合预先记录的性能图，通过考虑每个像素的效率，并以集体的方式调整其对最终读数的贡献，巧妙地处理来自这些大量像素的强度信息。在日常生活中，这一过程类似于通过仔细权衡一组专家在该领域的知识，而不是平等地依赖他们，从他们的输入中得出一个可靠的结论。这有助于通过最小化来自一个人的可能不准确的信息的贡献来细化结论，”Hatice Altug说。通过这种方式，研究人员能够利用单一的颜色光并且仍然能够获得与从彩虹中获得的相似的高度可靠的生物传感结果，同时不需要复杂、笨重和昂贵的仪器
监测癌症液
作为示范，科学家们通过检测肿瘤外泌体(肿瘤早期生物标志物)，将这种新型生物传感器应用于癌症诊断。肿瘤来源的外泌体以直径约为100纳米的小泡的形式在体液中循环。它们由癌细胞分泌，携带重要信息，如癌症的类型和分期。“越来越多的数据表明，肿瘤来源的外泌体不仅仅是癌细胞的废物，还被肿瘤用来促进其在远处的生长，这通常是一个致命的过程，称为转移，”该研究的参与者Michele De Palma说。EPFL的基于图像的生物传感器可以实时监测乳房癌症外泌体检测范围广泛，与健康和病人的临床相关。
研究人员认为，他们的方法为未来高可靠性、紧凑和低成本的传感设备提供了独特的可能性，特别是当与人工智能进一步结合时。这种健康监测设备有望成为下一代医疗保健网络的重要组成部分，以改善福祉和安全。
