帝国理工胡余冰＆四川姜楠团队Matter：用于颅脑内多种标志物动态监测的多路光纤传感器

【导读】

创伤性脑损伤（TBI）是世界范围内造成死亡和残疾的主要原因，严重威胁人类生命健康。TBI的发病机制十分复杂，通常起源于原发性脑损伤，并逐步发展为继发性脑损伤。脑组织生物标志物的变化预示了损伤的发展以及相关并发症的发生，因此实现对各种大脑生物标志物的动态监测具有重要的临床意义。目前，临床上使用的探针通常只能用于监测单种生物标志物，多种生物标志物的监测则需要使用多根探针或进行多次采样，这无疑增加了患者感染炎症的风险。尽管已经提出了微透析的方法用于多模态脑功能监测，但其仍存在多次采样的问题，难以提供连续实时的监测。近年来，用于临床脑部监测的电化学传感器存在着成本高、异物反应以及磁共振兼容性较差等问题，影响了其在临床中的实用性。而光学传感器尽管有着不受电磁干扰、易实现远程和深部脑传感等优势，并且在连续监测中具有低信号漂移，但同样存在光信号串扰以及多参量的交叉敏感问题。因此，实现多种脑组织生物标志物的实时连续监测仍然存在诸多挑战。

【成果掠影】

近日，英国帝国理工学院胡余冰博士、Ali K. Yetisen副教授团队联合四川大学姜楠研究员团队，设计了一种集成了可编程的人工智能（AI）预测平台的多路复用生物标志物光纤光学传感器，用于实时动态监测人工脑脊液（aCSF）中的四种重要标志物- pH 值、温度、溶解氧（DO）和葡萄糖的水平。该光纤传感器在同时监测四种生物标志物时表现出高灵敏度、高选择性和高稳定性，且时间延迟短，可以反映生物标志物的动态变化并识别 TBI 阶段的过渡，表明其能够实时连续监测多种生理相关的生物标志物，具有巨大的临床应用潜力。相关研究成果以题为“Multiplexed optical fiber sensors for dynamic brain monitoring”发表在期刊Matter上，论文第一作者为英国帝国理工学院张雨倩。

【核心创新点】

1、设计了一种可用于检测四种脑生物标志物的多路复用光纤光学传感器，可实时、连续监测颅内生物标志物，且具有良好的传感性能。

2、该系统集成了可编程的人工智能（AI）预测平台以实现环境补偿和精准监测。

3、该系统可以在体外实现对羊脑TBI模型的脑脊液四个参数连续监测，并实现各个TBI阶段的识别。

4、该系统可以实现小型化，并有较好的生物相容性，具有很好的临床应用前景。

【数据概览】

图1：用于脑生物标志物检测的多路复用光纤光学传感器的示意图

图2：多路复用光纤光学生物传感器对pH、温度、DO、葡萄糖传感检测结果

图3：基于机器学习模型的体外TBI脑监测模型研究

【成果启示】

在该项研究中，作者开发了一种多路复用光纤传感器，用于同时检测四种不同的脑组织生物标志物。在Y型光纤的尖端连接四种不同光学传感薄膜，另两端分别连接光源和光谱仪进行反射光谱分析，以实现生物标志物浓度的读取和分析。利用反射光谱的特征开发和优化了基于机器学习的回归模型，消除了四种光学传感器之间的串扰，并提供生物标志物浓度的高精度和定量分析。通过对羊脑的离体组织研究，证明了该多路复用传感器可以快速实现对不同阶段、不同标志物的实时检测，疾病不同阶段的变化能够得到准确反映，可以帮助医生准确跟踪病程，以做出正确的临床决策和治疗。该多路复用光纤传感器可以潜在地应用于医疗诊断，为颅内精准诊断和治疗提供新的途径，在临床上具有巨大的应用前景。

原文详情∶https://authors.elsevier.com/sd/article/S2590-2385(22)00423-4