基于机器学习的早期膀胱癌检测模型：利用自供电传感数据

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Machine Learning-Based Model for Early Bladder Cancer Detection Using Self-Powered Sensing Data

林荣成|蔡德生|张若晨|徐青江|黄琳|蔡万里|吴金峰|叶立福|魏永宝|李涛

福建省人民医院泌尿科，福州大学附属医院，350001，中国

摘要

miRNA-145是膀胱癌的关键生物标志物，其检测在早期诊断中起着关键作用。然而，当前的检测方法通常存在灵敏度低、选择性差以及缺乏多维信息的问题。为了克服这些挑战，我们提出了一种基于机器学习的早期膀胱癌检测方法，该方法整合了来自自供电传感系统的双模态数据。该系统采用葡萄糖驱动的芯片设计，通过碱基互补性特异性识别目标miRNA-145，触发生物催化氧化还原反应将化学能转化为电信号。通过集成探针系统实现双模态检测，使得通过智能手机进行便携式和多场景兼容的读数成为可能。这种自供电传感器表现出显著的灵敏度，检测限分别为0.061 fM（电化学）和0.082 fM（比色法）。更重要的是，我们开发了一种机器学习模型，用于处理和融合双模态传感数据，以实现膀胱癌的即时检测。这项工作提供了一个高灵敏度的集成平台用于miRNA-145的检测，并建立了一个数据驱动的分析框架，有望改善膀胱癌的早期检测和个性化方法。

引言

膀胱癌仍然是全球最常见的恶性肿瘤之一，早期检测对于改善长期临床结果至关重要[1]、[2]、[3]、[4]。最近，miRNA-145作为可靠的诊断生物标志物受到了广泛关注。与非特异性标志物不同，miRNA-145在尿路上皮癌的发病和进展过程中经常发生失调，在尿液和血清等非侵入性样本中表现出高度的稳定性和特异性[5]、[6]、[7]。与健康对照组相比，它在恶性组织中的持续下调表明其作为早期筛查指标的潜力。然而，传统的miRNA检测技术（如qRT-PCR和微阵列分析）存在操作复杂、成本高昂和灵敏度有限等局限性，这限制了它们快速准确检测临床需求的能力。自供电电化学传感器作为一种新兴的检测技术，通过直接将化学能转化为电能，提供了一种无需外部电源即可实现高灵敏度检测的新方法[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。研究人员已经开发了一系列基于自供电电化学传感器的miRNA检测方法[13]、[14]、[15]。

尽管电化学检测技术提高了生物传感的准确性和可靠性，但大多数现有系统仅以单模态方式运行，这限制了它们提供全面和交叉验证分析信息的能力[9]、[10]、[11]。为了解决这些问题，研究人员越来越多地转向多模态检测策略，其中比色传感由于其简单性、低成本和易于解释的特点，在即时检测和可视化读数应用中具有明显优势[12]、[13]。最近的进展使得基于酶催化反应、贵金属纳米粒子和有机发色团的比色探针得以开发，能够敏感且半定量地检测各种生物标志物，包括miRNAs[14]、[15]、[16]。自供电传感器可以从化学或生物反应中获取能量以生成电信号，无需外部电源，为开发便携式和可部署的诊断设备提供了有吸引力的平台[17]、[18]、[19]、[20]。

生物分析技术的最新进展引发了人们对集成检测策略的兴趣，这些策略以其优越的灵敏度、选择性和多维检测能力而受到关注。在这些新兴方法中，催化发夹组装（CHA）技术因其级联反应机制和无酶操作特性而脱颖而出。CHA在生物传感应用中显示出巨大潜力，无需酶即可实现等温扩增，特别适用于分子诊断和生物分析研究[16]、[17]、[18]、[19]。这种不依赖酶的等温扩增技术在分子诊断和生物分析研究中展现出显著潜力。Do等人利用CHA技术建立了一种基于荧光的SARS-CoV-2目标RNA检测方法，实现了快速且灵敏的核酸检测[20]。同时，Yuan等人开发了一种多变量门控CHA纳米传感器，用于特异性成像结直肠癌组织中的miRNA-21，通过协同信号放大和背景抑制机制显著提高了检测灵敏度[21]。G-四链体/血红素DNA酶作为酶模拟物，因其过氧化物酶样的催化活性而受到广泛关注[22]。这些DNA酶可以催化H?O?介导的底物氧化，产生可检测的信号变化，使其在生物传感器设计中具有广泛应用[23]。例如，Loic等人证明，在G-四链体核心序列附近添加特定的核苷酸（如腺嘌呤）可以将其过氧化物酶样活性提高多达20倍[24]。

虽然已经探索了多种基于CHA的平台，如CHA耦合的电化学检测和基于CHA的比色系统，但它们常常面临灵敏度和背景干扰的挑战。本研究通过将CHA技术与创新的G-四链体/血红素DNA酶设计相结合，通过协同信号放大和背景抑制提高了检测精度。此外，我们引入了一种“多模态融合”策略，结合了G-四链体/血红素DNA酶的催化特性（它们作为过氧化物酶模拟物），实现了miRNA-145的自供电检测系统。通过将CHA与DNA酶催化相结合，该平台不仅提高了miRNA检测的灵敏度，还建立了一种自维持的信号放大机制，使反应自主进行。这种系统架构与传统方法有显著区别，为高灵敏度生物分子检测提供了新的技术途径。自供电传感和机器学习的协同整合进一步增强了平台的稳健性和准确性，相比传统的集成传感系统具有明显优势。

总之，本研究通过巧妙设计的自供电传感系统解决了当前miRNA-145即时检测技术的局限性。该系统使用商用芯片作为基底，葡萄糖作为燃料，通过碱基互补性原理特异性识别目标miRNA-145。引入GDY基底显著提高了电化学质量传递的效率。此外，集成机器学习算法进行检测数据的分析和解释，进一步提高了系统的准确性和可靠性，为膀胱癌的精确筛查和分类提供了有力支持。

章节摘录

材料制备

GDY是根据报道的方法[25]通过偶联反应制备的。首先将单层石墨烯（GR）转移到SiO?/Si基底上作为模板，然后通过协调的炔烃分解反应制备有序的GDY薄膜。随后使用胶带将GDY/GR薄膜牢固地粘附在SiO?/Si基底上。冷却至室温后，将其从基底上剥离，最后去除胶带获得GDY。

GDY和金

集成传感平台

本研究开发了一种基于CHA的新型目标触发酶促生物测定平台，通过DNA酶实现电化学（EC）和比色（CL）分析血清样本中的miRNA-145。在所开发的传感系统中，设计了两种亚稳态发夹探针（H1和H2）用于目标识别和等温扩增。尽管H1和H2具有部分互补序列，但在

结论

总之，我们成功开发了一种用于精确检测膀胱癌生物标志物miRNA-145的集成自供电传感系统。通过将电化学和比色双模态检测集成到一个平台上，该系统实现了卓越的灵敏度，检测限分别为0.061 fM和0.082 fM。集成机器学习算法进一步提升了平台性能，实现了复杂的数据解释

资助

福建省自然科学基金（项目编号2022J01408）、福州市-大学（研究院）科技合作项目及科技成果转化项目（项目编号2024-G-005）、福建省自然科学基金-青年科学家基金（项目编号2022J05217, 2025J08151）、福建省医学创新项目（项目编号2025CXB001）、福建省科技创新联合基金

CRediT作者贡献声明

蔡德生：撰写——原始草稿，形式分析。林荣成：撰写——原始草稿，概念构思。李涛：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，资金获取。魏永宝：撰写——审阅与编辑，验证。叶立福：验证。吴金峰：研究，形式分析。蔡万里：形式分析。黄琳：项目管理。徐青江：研究。张若晨：研究，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。