2023年12月15日，北京大學生命科學學院張研教授課題組、京東方科技集團股份有限公司合作在美國化學會旗艦期刊ACS Nano雜志在線發(fā)表了題為“High-Performance Plasma Biomarker Panel for Alzheimer’s Disease Screening Using a Femtomolar-Level Label-Free Biosensing System”的論文。該研究利用超靈敏石墨烯場效應(yīng)晶體管（gFET）傳感器測定了多中心臨床隊列人血漿中阿爾茨海默癥（AD）生物標志物淀粉樣蛋白Aβ40、Aβ42、磷酸化P-tau181、P-tau217和神經(jīng)絲輕鏈蛋白（NfL）含量。同時，該研究采用機器學習算法對這些血漿生物標志物進行組合分析，構(gòu)建了一個“Composite-Info”生物標志物組合，顯著提高了AD進展的分期性能。在接收者操作特征曲線（ROC）上，該組合的曲線下面積（AUC）大于 0.94。此外，與簡易精神狀態(tài)量表（MMSE）/蒙特利爾認知評估（MoCA）和核磁共振成像（MRI）相比，該研究在基于個體的分期評估中表現(xiàn)出優(yōu)勢，為早期篩查AD提供了一個快速的檢測診斷系統(tǒng)。

圖1. 基于多靶標檢測的血液篩查阿爾茨海默癥方法

AD是老年人癡呆癥的主要病因，然而，由于缺乏對阿爾茨海默病理的了解，目前的療法無法預(yù)防或逆轉(zhuǎn)認知能力的下降。輕度認知障礙（MCI）的預(yù)后對潛在的老年癡呆癥治療至關(guān)重要，因為它既可能發(fā)展為癡呆癥，也可能保持良性和穩(wěn)定。此外，在MCI階段，也可以通過腦脊液（CSF）分析或正電子發(fā)射斷層掃描（PET）成像檢測到AD的關(guān)鍵生物標志物，如Aβ和P-tau。盡管腦脊液分析和正電子發(fā)射斷層掃描可提供診斷信息，但由于腰椎穿刺的侵入性以及正電子發(fā)射斷層掃描的高成本和有限可用性，它們的實施受到了限制。相比之下，檢測血液樣本中與AD相關(guān)的生物標志物可為診斷AD提供有效而經(jīng)濟的方法。

圖2. 基于自研傳感器進行血液樣本的多靶標檢測結(jié)果

迄今為止，用于從健康人群中對AD患者進行分類的相關(guān)生物標志物最佳組合仍在開發(fā)中，基于血漿的Aβ、tau和神經(jīng)退行性標志物（如NfL和GFAP等）作為組合進行診斷已經(jīng)成為當前國際框架共識（ATN體系），目前邏輯回歸方法在單標志物判斷方法取得了一些進展，有助于開發(fā)AD診斷標志物。與此同時，其他分類策略，如隨機森林和支持向量機等方法，在樣本有限的多變量問題上表現(xiàn)出色。通過這些機器學習方法的組裝，可以發(fā)現(xiàn)多生物標志物的AD精確診斷方法。此外，血漿中的生物標志物濃度通常比腦脊液中低十倍以上，常規(guī)手段很難對血漿進行高性能的AD相關(guān)標志物檢測。此外，血液成分的復(fù)雜性也使準確可靠地檢測血液中的生物標志物變得困難。因此，超靈敏檢測方法對有效分析血漿生物標志物至關(guān)重要。gFET生物傳感器可在數(shù)小時內(nèi)將這些生物標志物的檢測限降至飛摩爾水平，從而提供了超靈敏檢測血漿中ATN生物標志物的可能。

圖3. 基于診斷模型實現(xiàn)臨床樣本的三分類區(qū)分

針對現(xiàn)存問題，本研究構(gòu)建了超靈敏gFET裝置，并開發(fā)了基于多靶標生物標志物的診斷組合。該gFET裝置對血漿中的AD生物標記物具有極高的選擇性和靈敏度，其LoD達到飛摩爾級。除了飛摩爾靈敏度外，該裝置還能選擇性地檢測血漿中五種與AD相關(guān)的生物標記物。通過多種機器學習算法的使用，將多種標志物和臨床信息進行有效組合并進行診斷分期，得到表現(xiàn)良好的“Composite-info”生物標志物組合。其可以成功地對NC、MCI和AD患者進行分類，AUC可達0.94。這項工作提供的一種傳感平臺和“Composite-info”生物標志物組合，可用于早期AD診斷，在臨床上具有良好的前景。

論文第一作者為北京大學與京東方科技集團聯(lián)合培養(yǎng)博士后王世才博士，京東方科技集團鄧睿君博士和北京大學博士后陳智雅博士，共同通訊作者為張研、京東方科技集團的趙子健博士和李延釗博士。該研究獲得中國科技部、國家自然科學基金委、北京大學生命科學學院啟東產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金、京東方科技集團和朝陽區(qū)博士后經(jīng)費資助等的支持。

來源：北京大學