美国国家科学基金会（National Science Foundation）授予了一个由利哈伊大学研究副教务长阿南德·贾戈塔（Anand Jagota）领导的跨学科研究团队，为期四年，价值200万美元的赠款，用于研究DNA包裹的碳纳米管作为纳米传感器，用于检测分子，如癌症或其他疾病的生物标志物。
该项目的联合首席研究员是计算机科学与工程系教授兼系主任布莱恩·戴维森（Brian Davison）和纪念斯隆凯特琳癌症中心癌症纳米技术实验室副成员兼负责人丹尼尔·海勒（Daniel Heller）。领导团队中还有美国国家标准与技术研究院的郑明。
在生物传感中，研究人员经常寻找某种分子或蛋白质（一种生物标志物）的存在或浓度，以确定患者是否被诊断出患有疾病或疾病，生物工程和化学与生物分子工程教授Jagota说。
他说，癌症的早期检测需要特异性检测生物体液中低浓度的生物标志物。研究人员发现，单壁碳纳米管——“基本上是一层碳原子折叠在自身上”——包裹着DNA分子，在存在不同的生物标志物时会发出不同的荧光。检测血液中是否存在某些生物标志物可以确定一个人是否患有癌症，这是该项目的最初重点。Jagota说，原则上，该过程最终可用于检测多种疾病中的任何一种。
计算机科学与工程系教授兼系主任布莱恩·戴维森（Brian Davison）（左）和利哈伊大学负责研究的副教务长阿南德·贾戈塔（Anand Jagota）获得了为期四年、价值200万美元的美国国家科学基金会（National Science Foundation）资助，用于他们的项目DNA-纳米碳混合材料，用于基于感知的分析物不可知的传感。
为了确定患者是否患有癌症，采集体液样本，在小瓶中暴露于几种类型的DNA包裹的碳纳米管，并记录每个纳米管的荧光。该项目的目标之一是，用于基于感知的、与分析物无关的传感的DNA-纳米碳混合材料，是建立一个自动化的疾病检测系统，可以将有关体液的数据输入到该系统中。
NSF项目的重点是该系统如何工作以及如何改进。根据Jagota的说法，研究人员希望回答的一些基本问题包括，“为什么与DNA杂交的纳米管可以检测疾病吗？”以及“它检测的机制是什么？”
一个问题是，DNA-碳纳米管的荧光调制不是很特异性，这意味着荧光的变化可以由许多生物标志物之一触发，而不仅仅是在这种情况下，由那些揭示患者患有癌症的生物标志物触发。
“大多数人，他们会说，’啊，这没用。你不能用它来感知，’“Jagota说。
由于血液中存在许多其他分子，任何单一类型的DNA-碳纳米管基本上都不可能检测出是否存在癌症生物标志物。他说，为了解释样品中分子的混合物，需要多种类型的DNA-纳米管进行集体分析。
“你试着问这个问题…… 他们都以某种方式发生了变化吗？贾戈塔说。“我可以训练这个系统吗？我能否将其暴露于不同浓度的分析物的不同组合中并查看输出，从该输出中，我可以训练机器学习算法吗？我能训练一个黑匣子，上面写着，’你告诉我这些分子是如何移动的，我会告诉你这个分子是否存在’？
戴维森说，通过识别和使用许多传感器，研究人员可以更有信心地发现与生物标志物相关的物质，而不是血液中的其他物质。这可能会导致弄清楚如何检测人们的其他特征或疾病状态。
“如果那里什么都没有，就会发生基线荧光，”戴维森说。“当其中一个纳米管附着在其他分子上时，它可以通过增加亮度或改变频率来改变它的荧光方式，而这些都是我们正在测量的东西。
戴维森用人类的鼻子来比喻他们正在做的工作：在鼻子内部，有不同的气味受体，但这并不像每个传感器一种气味那么简单。一组传感器激活使人们能够识别特定的气味。
研究人员不希望在这个项目中依赖一个传感器;他们需要一组传感器来检测（或不检测）可识别的模式。
戴维森说：“我们担心的一个大问题是，我们可能有很多相互矛盾的化合物，这些化合物可以在血液中发现，这些化合物不是我们正在寻找的，但同样会激发我们拥有的传感器。
根据戴维森的说法，NSF项目提出的一个更广泛的问题是，他们如何确定最好的传感器集，他们希望这些传感器需要尽可能多样化。
戴维森的项目领域是机器学习。他说，挑战之一是用很少的数据建立可靠的预测系统。戴维森说，与谷歌或Meta等拥有数百万个数据点的大型科技公司不同，他们更有可能只有几百个数据点，因为他们的数据与真实的患者相对应。
“即使我们有一个很小的数据集可以使用，我们如何才能尽可能准确？”戴维森问道。
他说，他们还必须弄清楚如何表示收集到的数据。例如，从样品荧光中收集的测量值是否应该直接用波长、差异或其他方式表示？
美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的另一项奖项旨在使该过程适合临床实践。纪念斯隆凯特琳癌症中心是美国国立卫生研究院项目的牵头人，来自利哈伊、美国国家标准与技术研究院 （NIST） 的研究人员和马里兰大学的合作者做出了贡献。
新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://www2.lehigh.edu/news/nsf-award-to-aid-interdisciplinary-researchers-in-detecting-cancer