إحداث ثورة في اكتشاف الفيروسات باستخدام الاستشعار الحيوي المعزز بالذكاء الاصطناعي

إحداث ثورة في اكتشاف الفيروسات باستخدام الاستشعار الحيوي المعزز بالذكاء الاصطناعي

الطابع الزمني: 17 أكتوبر 2023 الساعة 12:20 مساءً
عقدة المصدر: 2941324
17 أكتوبر 2023 (أخبار Nanowerk) تعد تقنيات التشخيص السريع والموقعي لتحديد الفيروسات وقياس كميتها ضرورية لتخطيط استراتيجيات العلاج للمرضى المصابين ومنع المزيد من انتشار العدوى. لقد سلطت جائحة كوفيد-19 الضوء على الحاجة إلى اختبارات تشخيصية دقيقة ولكن لا مركزية لا تتضمن عمليات معقدة ومستهلكة للوقت اللازمة للاختبارات المعملية التقليدية.

الوجبات السريعة الرئيسية

  • وقد شددت جائحة كوفيد-19 على الحاجة إلى اختبارات تشخيصية سريعة ولامركزية، حيث أصبح التصوير المجهري ذو المجال الساطع أداة تشخيصية شائعة.
  • يمكن لطرق الكشف عن الفيروسات التقليدية مثل أجهزة الاستشعار الحيوية Gires-Tournois (GT) إنتاج صور للأحمال الفيروسية ولكنها تأتي مع تحديات مثل التحف البصرية.
  • Researchers introduced “DeepGT,” a tool combining GT sensing with AI for precise quantification of nanoscale bioparticles.
  • يستخدم نظام DeepGT شبكة عصبية تلافيفية، مما يظهر دقة عالية في حساب الجسيمات الحيوية ويمكن أن يشير إلى شدة العدوى بناءً على الحمل الفيروسي.
  • ويرى الفريق أن DeepGT هو حل محوري للكشف السريع عن الفيروسات، مما قد يؤدي إلى تقليل التكاليف المرتبطة بالتشخيص.

    • البحث

    من الأدوات التشخيصية الشائعة في نقاط الرعاية لقياس الأحمال الفيروسية التصوير المجهري ذو المجال الساطع. ومع ذلك، فإن الحجم الصغير (∼ 100 نانومتر) ومعامل الانكسار المنخفض (∼ 1.5، مثل شريحة المجهر) للجسيمات الحيوية مثل الفيروسات غالبًا ما يجعل تقديرها الدقيق صعبًا ويزيد من حد الاكتشاف (أدنى تركيز للحمل الفيروسي). التي يمكن اكتشافها بشكل موثوق). لقد وجدت الدراسات الحديثة أن أجهزة الاستشعار الحيوية Gires-Tournois (GT)، وهي نوع من الرنانات الضوئية النانوية، يمكنها اكتشاف جزيئات الفيروس الصغيرة وإنتاج صور مجهرية ملونة (صور مأخوذة من خلال المجهر) للأحمال الفيروسية. لكنها تعاني من التحف البصرية وعدم إمكانية التكاثر، مما يحد من الاستفادة منها. في إنجاز حديث، قام فريق دولي من الباحثين، بقيادة البروفيسور يونغ مين سونغ من كلية الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا في كوريا، بالاستفادة من الذكاء الاصطناعي (منظمة العفو الدولية) للتغلب على هذه المشكلة. يتم نشر أعمالهم في نانو اليوم (“Deep learning-based quantification of nanosized bioparticles in bright-field micrographs of Gires-Tournois biosensor”). اقترح الفريق أداة استشعار حيوي تآزرية تسمى "DeepGT"، والتي يمكنها الاستفادة من مزايا منصات استشعار GT ودمجها مع خوارزميات قائمة على التعلم العميق لتحديد كمية الجسيمات الحيوية النانوية بدقة، بما في ذلك الفيروسات، دون الحاجة إلى طرق معقدة لإعداد العينات. "لقد قمنا بتصميم DeepGT لإجراء تقييم موضوعي لخطورة العدوى أو المرض. "هذا يعني أننا لن نضطر بعد الآن إلى الاعتماد فقط على التقييمات الذاتية للتشخيص والرعاية الصحية، ولكن بدلاً من ذلك سيكون لدينا نهج أكثر دقة وقائم على البيانات لتوجيه الاستراتيجيات العلاجية"، يوضح البروفيسور سونغ، كاشفاً عن الدافع وراء دراستهم. صمم الفريق جهاز استشعار بيولوجي GT بتكوين أغشية رقيقة ثلاثية الطبقات وقام بوظيفته الحيوية لتمكين الاستشعار اللوني عند التفاعل مع التحليلات المستهدفة. تم التحقق من قدرات الاستشعار من خلال محاكاة آلية الارتباط بين الخلايا المضيفة والفيروس باستخدام جسيمات حيوية مُعدة خصيصًا تحاكي SARS-CoV-2، وهي سلالة الفيروس التاجي التي تسببت في جائحة كوفيد-19. بعد ذلك، قام الباحثون بتدريب شبكة عصبية تلافيفية (CNN) باستخدام أكثر من ألف صورة مجهرية ضوئية ومسح إلكتروني لسطح جهاز الاستشعار البيولوجي GT مع أنواع مختلفة من الجسيمات النانوية. ووجدوا أن DeepGT كان قادرًا على تحسين التحف البصرية المرتبطة بالفحص المجهري للمجال الساطع واستخراج المعلومات ذات الصلة، حتى عند التركيزات الفيروسية التي تصل إلى 138 بيكوغرام مل.-1. علاوة على ذلك، فقد حددت عدد الجسيمات الحيوية بدقة عالية، تتميز بمتوسط ​​خطأ مطلق قدره 2.37 عبر 1,596 صورة مقارنة بـ 13.47 للخوارزميات القائمة على القواعد، في أقل من ثانية. وبدعم من أداء شبكات CNN، يمكن لنظام الاستشعار الحيوي أيضًا أن يشير إلى شدة العدوى من عديمة الأعراض إلى شديدة بناءً على الحمل الفيروسي. وبالتالي فإن DeepGT يقدم طريقة فعالة ودقيقة لفحص الفيروسات عبر نطاق واسع الحجم دون أن يعيقها الحد الأدنى للحيود في الضوء المرئي. ويخلص البروفيسور سونغ إلى أن "نهجنا يوفر حلاً عمليًا للكشف السريع عن التهديدات الفيروسية الناشئة وإدارتها بالإضافة إلى تحسين الاستعداد للصحة العامة من خلال تقليل العبء الإجمالي للتكاليف المرتبطة بالتشخيص".

    الطابع الزمني:

    اكثر من نانوويرك