用于冠狀病毒檢測的人工智能納米孔的工作原理

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大阪大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的高度敏感的SARS-CoV-2病毒測試，該測試?yán)萌斯ぶ悄芎图{米孔技術(shù)的融合，可以實(shí)現(xiàn) COVID 的快速即時(shí)檢測。

由大阪大學(xué) SANKEN（科學(xué)與工業(yè)研究所）領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家證明，可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)準(zhǔn)確識(shí)別穿過納米孔的單個(gè)病毒顆粒。他們創(chuàng)建的測試平臺(tái)非常敏感，可以區(qū)分導(dǎo)致普通感冒、SARS、MERS 和 COVID 的冠狀病毒。這項(xiàng)工作可能會(huì)導(dǎo)致對 COVID 和其他病毒性疾病進(jìn)行快速、便攜和準(zhǔn)確的篩查測試。

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全球冠狀病毒大流行揭示了快速病原體篩查的迫切需求。然而，目前檢測RNA病毒（包括導(dǎo)致 COVID 的病毒 SARS-CoV-2）的金標(biāo)準(zhǔn)是逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng) (RT-PCR) 檢測。雖然準(zhǔn)確，但這種方法相對較慢，這阻礙了控制爆發(fā)所需的及時(shí)干預(yù)。

現(xiàn)在，由大阪大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們開發(fā)了一種智能納米孔系統(tǒng)，可用于檢測 SARS-CoV-2 病毒顆粒。使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，該平臺(tái)可以準(zhǔn)確區(qū)分導(dǎo)致不同呼吸道疾病的類似大小的冠狀病毒?！拔覀兊膭?chuàng)新技術(shù)具有很高的靈敏度，甚至可以電識(shí)別單個(gè)病毒顆粒，”第一作者 Masateru Taniguchi 教授說。使用該平臺(tái)，研究人員能夠在短短五分鐘內(nèi)使用臨床唾液樣本實(shí)現(xiàn) SARS-CoV-2 檢測的 90% 的靈敏度和 96% 的特異性。

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為了制造該裝置，將直徑僅為 300 納米的納米孔鉆入氮化硅膜中。當(dāng)病毒被電泳力拉過納米孔時(shí)，開口被部分堵塞。這暫時(shí)降低了納米孔內(nèi)的離子流，這被檢測為電流的變化。作為時(shí)間函數(shù)的電流提供了關(guān)于被分析目標(biāo)的體積、結(jié)構(gòu)和表面電荷的信息。然而，為了解釋可能小至幾納安的細(xì)微信號(hào)，需要機(jī)器學(xué)習(xí)。該團(tuán)隊(duì)使用 40 個(gè) PCR 陽性和 40 個(gè) PCR 陰性唾液樣本來訓(xùn)練算法。

“我們希望這項(xiàng)研究能夠?qū)崿F(xiàn)對 SARS-CoV-2 的快速護(hù)理點(diǎn)和篩查測試，而無需提取 RNA，”Masateru Taniguchi 教授解釋說?！跋襁@種用戶友好且非侵入性的方法更適合在醫(yī)院立即診斷并在人群聚集的地方進(jìn)行篩查?！?完整的測試平臺(tái)由服務(wù)器上的機(jī)器學(xué)習(xí)軟件、便攜式高精度電流測量儀和具有成本效益的半導(dǎo)體納米孔模塊組成。通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，研究人員預(yù)計(jì)該系統(tǒng)可以適用于未來新發(fā)傳染病的檢測。該團(tuán)隊(duì)希望這種方法將徹底改變公共衛(wèi)生和疾病控制。

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