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癌症在早期阶段往往最为隐匿，也最为危险。在症状显现之前检测到癌症，一直是现代医学面临的重大挑战之一。如今，韩国材料科学研究院（KIMS）的研究团队开发了一种革命性的新工具，有望大幅提高早期诊断的准确性。由 Ho Sang Jung 博士领导的团队研发出一种先进的光学生物传感器，仅需利用光和人工智能，就能识别血液样本中与癌症相关的微量 DNA 变化。
这种传感器专注于 DNA 甲基化，这是一种微妙的化学变化，类似于癌症的“指纹”。当癌细胞形成时，某些基因会因添加了称为甲基基团的小化学标签而开启或关闭。这些变化通常会沉默那些原本保护人体免受癌症侵害的基因，即肿瘤抑制基因。在血液中检测到这些 DNA 甲基化模式，提供了一种在肿瘤尚未长大到足以被肉眼发现之前，早期诊断癌症的方法。
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目前，大多数分析 DNA 甲基化的方法依赖于如亚硫酸氢钠转化等复杂的化学过程。虽然这些技术有效，但它们耗时、繁琐，并且常常无法检测到早期阶段的低水平癌症 DNA。其他较新的方法，如电化学和传统的光学生物传感器，也面临着灵敏度不足和一致性差等问题。
为了克服这些限制，Jung 博士的团队将多种尖端技术整合到一个设备中。其核心创新在于使用了一种称为等离子体纳米颗粒的光增强材料。这些颗粒可以将附近分子的光学信号增强超过 1 亿倍，使即使是最微量的癌症 DNA 也能被检测到。随后，生物传感器利用人工智能对光信号进行分类，并识别出与癌症相关的甲基化模式。
这种设计消除了对化学处理的需求，使系统更加快速、清洁且成本低廉。该设备仅需 100 微升血液——不到一滴——并在短短 20 分钟内即可提供结果。
该传感器的灵敏度令人惊叹。它可以检测到低至 25 飞克 / 毫升的 DNA 甲基化水平——相当于在一滴水中溶解一粒糖的二十五分之一。这比大多数标准生物传感器的灵敏度高出约 1000 倍。
为了验证其实际性能，研究团队使用该设备对 60 名结直肠癌患者的血液进行了检测。传感器以 99% 的准确率识别出癌症，甚至能够区分疾病的早期和晚期阶段。这种高精度的检测能力对于诊断和治疗方案的制定至关重要。
生物传感器的核心是一种称为等离子体分子捕获（PME）的突破性技术。PME 使光信号能够紧密聚焦在目标 DNA 分子周围。金纳米颗粒直接在 DNA 周围生长，形成光增强的“热点”。这一过程产生了一个强大的信号，易于读取且难以错过。
推动这一过程的光基技术称为表面增强拉曼散射（SERS）。SERS 通过将光照射到分子上并测量光的散射方式工作。每个分子以独特的方式散射光，就像指纹一样。对于 DNA 甲基化，即使微小的结构变化也会改变散射模式。PME 方法将 DNA 捕获在光最强的地方，产生反映其甲基化状态的信号。
这种无标记系统无需额外的染料或标记。相反，它读取 DNA 的自然振动，由金颗粒增强。团队还设计了一种特殊的多孔金纳米海绵作为形成这些等离子体热点的结构，进一步提高了信号的一致性和强度。
为了解读复杂的光数据，研究团队训练了一个基于逻辑回归的人工智能模型。这种机器学习工具分析光信号中的模式，并分类样本是否显示健康或与癌症相关的甲基化水平。在临床测试中，系统的准确率超过 99%，灵敏度为 100%，特异性为 98.3%。
这些结果表明，PME 辅助的 SERS 与 AI 结合，能够匹配甚至超越传统方法。更重要的是，它无需化学预处理即可提供更快的结果，使其适用于医院、诊所甚至家庭测试。
尽管这项研究主要针对结直肠癌，但该技术可以应用于许多其他疾病。由于 DNA 甲基化在自身免疫和神经系统疾病中也起着关键作用，生物传感器有潜力成为广泛的诊断工具。
Jung 博士指出：“这项技术作为一个下一代诊断平台，不仅能够实现早期癌症检测，还能够预测预后和监测治疗反应。”
其易用性和快速周转使其成为即时检测的理想选择。它可以帮助个性化治疗计划、监测疾病进展，甚至在治疗后发现复发。通过消除传统实验室测试的复杂性和高成本，这种方法可以将先进的分子诊断引入日常医疗保健。
虽然 SERS 长期以来以其灵敏度著称，但一致性问题一直是其主要挑战。许多传统的 SERS 设置依赖于纳米颗粒的随机聚集，这可能导致信号不稳定。通过构建一种结构化的金纳米海绵，将 DNA 定位并支持均匀的信号增强，KIMS 团队解决了多年来阻碍 SERS 临床应用的难题。
早期系统中的另一个困难是将 DNA 引导到光增强热点的确切位置。以前的方法使用化学配体或电场来定位分子，但这些额外的步骤使测试变得更慢且更昂贵。PME 通过在其自然状态下直接在目标 DNA 周围生长金颗粒，完全消除了这一步骤，确保了精确的定位和更好的信号清晰度。
研究团队希望将该技术推广到更广泛的临床应用中。作为一种低成本、无标记且高度准确的方法，它可以集成到便携式诊断设备中，或用于国家癌症筛查计划。其早期检测癌症的能力——在治疗最有效的时候——可以挽救生命并降低医疗成本。
展望未来，研究人员还计划将其用途扩展到监测治疗成功和检测复发。由于系统可以跟踪甲基化随时间的变化，它可能成为一种强大的长期疾病管理工具。
Jung 博士和他的团队正在继续改进该设备，旨在使其更加用户友好和易于使用。如果成功，他们的创新可能标志着全球疾病诊断和管理方式的一个转折点。
研究结果已在线发表在《Advanced Science》杂志上。
