ACS Sensors：适配体定向组装NSET微针贴片传感器——深度学习赋能急性肾损伤早期检测
急性肾损伤（acute kidney injury, AKI）是一类起病迅速且临床危害较大的肾脏疾病。中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（neutrophil gelatinase-associated lipocalin, NGAL）是目前备受关注的AKI早期生物标志物，其水平可在肾损伤发生后较早升高。然而，传统NGAL检测主要依赖血液或尿液采集，难以兼顾微创取样、原位检测和动态监测。相比之下，组织间质液（interstitial fluid, ISF）包含丰富的蛋白质及代谢物，与血液中的多种生物组分具有较好的相关性，为疾病生物标志物监测提供了新的窗口。
为此，同济大学胡勇教授团队构建了一种适配体定向组装的纳米表面能量转移（NSET）微针贴片，并结合深度学习图像分析，实现间质液中NGAL的微创定量检测。首先，在微针表面引入DNA，通过碱基互补配对依次组装DNA修饰碳点和携带NGAL适配体的金纳米颗粒。二者靠近后产生NSET效应，使碳点荧光淬灭；当NGAL与适配体结合时，DNA双链解离并释放金纳米颗粒，从而恢复荧光，实现从NGAL分子识别到荧光信号输出的转换。针对微针阵列荧光图像存在空间不均一和背景干扰的问题，进一步，引入 U-Net深度学习模型进行微针区域识别和信号提取。经深度学习处理后，荧光恢复强度与NGAL浓度呈高度线性相关R2达到0.9936，明显优于直接分析原始图像得到的R2 = 0.5668。在AKI小鼠模型中，该微针贴片在造模后第1天即可检测到NGAL升高，比传统血清肌酐检测早预警2-3天。该研究将DNA定向组装、适配体识别、NSET信号转换、微针采样与人工智能图像分析有机结合，为构建微创、智能化的疾病早期监测平台提供了新的思路。
图1. 纳米复合DNA微针（AuNP/CD-DMN）贴片的制备与检测原理示意图。(A) 通过互补DNA杂交制备AuNP/CD-DMN贴片。(B) AuNP/CD-DMN在急性肾损伤（AKI）小鼠中的检测机制。(C) 基于U-Net深度学习模型，将微针荧光定量映射为NGAL浓度
该研究成果近期以“Aptamer-Directed Assembly of NSET Microneedle Patch for Early Detection of Acute Kidney Injury Facilitated by Deep Learning-Enabled Target Signal Extraction” 为题发表在《美国化学学会传感器》（ACS Sensors）上。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.6c01828