מה אם אנשים יוכלו לאתר סרטן ומחלות אחרות באותה מהירות וקלות בבדיקת הריון או מד גלוקוז בדם? חוקרים במכון קרל ר. וואס לביולוגיה גנומית הם צעד קרוב יותר למימוש מטרה זו על ידי שילוב ניתוח מבוסס למידת מכונות בטכנולוגיות ביו-חיסכון בטיפול.
השיטה החדשה, המכונה Loca-pram, דווחה בכתב העת בכתב העת חיישנים ביולוגיים וביו -אלקטרוניקה ומשפר את הנגישות לגילוי סמן ביולוגי על ידי ביטול הצורך של מומחים טכניים לבצע את ניתוח התמונות.
טכניקות אבחון רפואיות מסורתיות מחייבות את הרופאים לשלוח דגימות דם או רקמות של חולים למעבדות קליניות בהן מדענים מומחים מבצעים את נהלי הבדיקה וניתוח הנתונים.
טכנולוגיות נוכחיות מחייבות מטופלים לבקר בבתי חולים כדי לקבל אבחון שלוקח זמן. להרבה אנשים יש גם חסמים שבהם יתכן כי יותר מינויים אינם אפשריים מבחינה כלכלית או מרחבית. אני חושב שאנחנו יכולים לעשות את ההבדל על ידי פיתוח טכנולוגיות יותר לטיפול בטיפול הזמינות לאנשים. "
האן לי, מחבר המחבר הראשון של הסטודנט לתואר שני בקבוצת המחקר של Nanosensors
אבחון נקודת טיפול מבוצעים ומניבים תוצאות באתר הטיפול בחולים, בין אם בבית, במשרד הרופא או בכל מקום שביניהם. זה מאפשר בדיקות עלות נמוכה יותר, קלות לשימוש ומבחנים מהירים שיכולים לעזור ליידע את הצעדים הבאים. כמה דוגמאות שכבר אומצו בחיי היומיום כוללות בדיקות הריון בשתן, ערכות בדיקת אנטיגן COVID-19 ומדדי גלוקוז בדם המאפשרים לאנשים עם סוכרת להגיב למטבלים ודוקרנים ברמות הגלוקוז בדם שלהם לאורך היום.
בתחום נקודת הטיפול, החוקרים חוקרים דרכים חדשות לשילוב סוגים אלה של טכנולוגיות במסגרות טיפול בחולים, כמו פגישות עם מומחים כמו אונקולוגים או מנתחים דרך הפה. זה יעזור להפחית את הזמן והנטל הכספי על החולים, תוך שיפור קבלת ההחלטות בזמן אמת עבור רופאים.
"רופאים אומרים שהם היו רוצים משהו דומה כשאתה נכנס עם זיהום חיידקי. הם מבצעים לך מבחן ממש שם ואז שולחים אותך הביתה מהפגישה שלך עם האנטיביוטיקה הנכונה שתתייחס לחיידקים הספציפיים שיש לך," אמר בריאן קנינגהם (מנהיג CGD), פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים. "אז למה לא לעשות דבר דומה לבחירת התרופה הנכונה נגד סרטן או לקבוע אם התרופה שאתה לוקח במשך כמה שבועות מתחילה לעבוד או לא."
בעבר, הקבוצה דיווחה על שיטת ביו-סנסינג חדשה הנקראת מיקרוסקופיית ספיגת פוטונית של תהודה פוטונית, או עגלה, כדי לאתר-מולקולות ביולוגיות מולקולריות בגוף שנוכחותם ורמותיהם מצביעות על מצבים בריאים או מחלה. עגלה מאפשרת גילוי של מולקולות ביו -סמן בודדות כולל חומצות גרעין, אנטיגנים ונוגדנים; טכניקות ביו -חיסכון נפוצות מזהות במקום זאת את האות המצטבר של מאות עד אלפי מולקולות.
קנינגהם אמר, "בעיקרון, מה שאנחנו עושים זה להאיר נורת LED אדומה בתחתית חיישן. ואז בחלקו העליון של החיישן, המולקולות נוחתות ומתגלה בכל פעם שיש להם חלקיק זעיר העשוי מזהב-שאנו מכנים ננו-חלקיקים זהב או DUAPS התגוררו בו."
התמונות שנוצרו באמצעות עגלה מתארות רקע אדום עם כתמים שחורים קטנים מפוזרים עליה. אך בעוד שתמונות אלה עצמן נראות פשוטות יחסית, השגת ספירה מדויקת דורשת עין מיומנת שיכולה לפענח אילו כתמים באמת תואמים את מולקולות הסמן הביולוגי המתויג של AUNP.
"ישנם סוגים רבים של ממצאים כמו חלקיקי אבק או אגרגטים של חלקיקי הננו. אם אין לך ניסיון רב, קשה להבדיל ביניהם," אמר לי. "אלגוריתם הספירה המקובל בו השתמשנו דורש התאמת הרבה פרמטרים כדי להיפטר מאותם ממצאים."
על מנת להעביר תהליך זה מהמעבדה ולהפוך אותו למתאים יותר לסביבות נקודת טיפול, לי הציע לשלב למידת מכונה בתהליך ניתוח התמונות.
"האן באמת לבד פיתח עניין בלימוד מכונות לאחר שלקח כאן שיעור באוניברסיטה רק כדי ללמוד על זה", אמר קנינגהם. "הוא הגיע אלי יום אחד ואמר שהוא חשב שהוא יכול לגרום לאלגוריתם למידת מכונה לספור את הכתמים השחורים שלנו בצורה מדויקת יותר."
בהשוואה לטכניקות ביו -סנסינג אחרות, PRAM נוטה את עצמה היטב לשילוב אלגוריתמי למידה עמוקים מכיוון שהיא מייצרת תמונות מיקרוסקופ, ולא סתם לאתר אותות אופטיים. אך מכיוון שהאלגוריתמים הללו טובים רק כמו הנתונים שהתאמנו אותם, לי החליט לדמיין את אותן הדגימות באמצעות עגלה וגם בסריקה של מיקרוסקופיית אלקטרונים.
ניתן להמחיש את ה- AUNPs, הקטנים פי 1000 משיער אנושי ומופיעים רק ככתמים שחורים קטנים בתמונות העגלה, בצורה ברורה יותר במיקרוסקופ האלקטרונים. בתהליך אינטנסיבי בזמן, לי קרוס התייחסה לכל נקודה בתמונות PRAM עם תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים כדי להשיג נתונים מדויקים ביותר עבור מערך האימונים של למידת מכונה.
"למצוא את המקום הנכון להשוות אליו היה ממש מאתגר כי זה כמו למצוא מחט במדבר. דרך אחת שתכננתי הייתה ליצור נקודת התייחסות, כמו מגדלור בים. ואז משם נוכל למצוא את אותה המקום בדיוק לרישומים," אמר לי.
השיטה המבוססת על למידה עמוקה, הנקראת לוקליזציה עם מודעות להקשר, המשולבת בעגלה, מאפשרת גילוי דיוק בזמן אמת של סמנים ביולוגיים מולקולריים מבלי להזדקק לעיניים ולחוויה של מומחה טכני. כאשר נבדק, הצוות מצא כי LoCA-PRAM עלה על טכניקות קונבנציונאליות ברמת הדיוק, וגלות רמות נמוכות יותר של הסמנים הביולוגיים ומזער את שיעורי החיוב והשליליות השקריות.
"כל המסע של הדוקטורט שלי התחיל מכיוון שרציתי לבצע שינויים בתחום נקודת הטיפול", אמר לי. "אני רק רוצה לעשות כל שביכולתי כדי לפתח טכנולוגיות מתקדמות יותר שיכולות להיות בעתיד בעתיד."
הפרסום, "ניתן למצוא מיקרוסקופיה של חלקיקי ננו-חלקיקים זהב מעמיקים של למידה עמוקה, במיקרוסקופיה של ספיגת תהודה פוטונית לאבחון מולקולרי דיגיטלי" בכתובת https://doi.org/10.1016/J.Bios.2025.117455, והיה תומך במענבים לאומיים.
