赛事动态 - 第 18 页 - Regeneron ISEF 国际科学与工程大奖赛

Regeneron ISEF 2025 大奖：CBIO033 - miRNA在肺癌检测中的应用

迄今为止，表达水平高度失调的microRNA (miRNA) 一直是疾病特异性生物标志物研究的重点。然而，miRNA 与其靶基因之间复杂的调控机制 [4,6]，以及目前尚无一个普遍认可的框架来设定倍数变化 (FC) 阈值以判断失调，这表明中等失调水平的 miRNA 可能仍包含具有临床价值的信息。因此，本研究验证了“低失调水平的 miRNA 可为肺癌 (LC) 诊断提供有用信息”这一假设。为此，我们构建了一个包含阳性组（LC 存在）和阴性组（LC 缺失）完整 miRNA 谱的数据集。将具有统计学意义的 miRNA FC 值分为三个失调范围，如下所示：高（HD）FC <= 0.5 或 FC >= 2.0，中等（MD）FC 在（0.5,0.9] 或 [1.1,2.0）之间，以及不显著（ND）FC 在（0.9,1.1）之间。使用 miRNA 表达水平作为特征，并在每个分类器中选择最具鉴别力的 50 个特征，构建用于 LC 诊断的随机森林二元分类器，三个 FC 范围各一个，产生以下分类准确率：（HD）高 99%，（MD）低 99%，（ND）92%。此外，基于为 HD 和 MD 类别分类器挑选的 100 个 miRNA 池，使用 K 均值聚类来分析这些 miRNA 的选定序列属性，以了解它们之间的关系。该聚类模型取得了最佳性能（基于惯性拐点），n值为31，表明所选miRNA之间存在跨类别序列相似性以及独特的、新颖的MD聚类。\n（有关引用的参考文献，请参阅研究计划。）

Regeneron ISEF 2025 大奖：PHYS009T - 关于反气泡的新见解

简而言之，反气泡是与肥皂泡相反的物质。它们内部由近乎球形的流体构成，并与周围的流体（通常是相同的流体）隔着一层薄薄的空气。由于这种结构，反气泡展现出一些有趣的物理特性，这些特性可以通过相当简单的方法进行研究。\n作为我们项目的一部分，我们使用一套可重复的实验装置来研究这些气泡的一些特性。在此过程中，我们也探索了一些此前未曾探索过的问题，并在此研究领域取得了新的成果。\n在我们的研究中，我们使用所谓的“吸管法”来生成反气泡。我们通过改造一台3D打印机，实现了这一生产方法的完全自动化。视频片段最初是使用“追踪器”手动分析的。后来，我们能够使用 Python 实现评估的自动化。\n我们的论文描述了反气泡的光学特性，并根据所需重力能量的下限分析了生成反气泡的最佳参数。\n此外，我们首次观察到了反气泡的振荡，它包含两个反相的衰减振荡，其频率取决于气泡的大小。我们还研究了反气泡的直径和下沉深度与形成参数的关系。\n通过考虑反气泡运动的力，我们开发了一种基于反气泡与周围液体密度差来计算空气层平均厚度的新方法。通过使用已知密度的木球，我们能够测试并验证我们的方法。\n因此，我们的研究在反气泡领域取得了新的发现。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：TMED078 - 抗体鸡尾酒疗法诊断胰腺癌

胰腺癌因其侵袭性和高致死率而被誉为“癌症之王”。虽然其发病率位居美国第九，但它却是第四大癌症死亡原因，预计到 2030 年将成为美国第二大癌症死亡原因。一个主要问题是诊断晚。在 I 期，五年生存率可达 84%，但如果在 IV 期确诊，生存率则会急剧下降至 3%。由于早期诊断是战胜胰腺癌的关键，我开发了一种新的胰腺癌诊断方法，可以从血浆中分离胰腺癌特异性细胞外囊泡 (EVs)，从而只需抽血即可检测癌症突变。癌细胞即使在早期也会释放 EVs，并且 EV-DNA 包含与原始细胞相同的突变。为了分离胰腺癌特异性 EVs，我通过文献检索确定了 3 种胰腺癌特异性表面抗原。将针对这些抗原的抗体混合物与磁性纳米珠结合，从血浆中分离胰腺癌衍生的EVs。然后使用液滴数字聚合酶链式反应（ddPCR）对纯化的EV-DNA进行KRAS突变分析，KRAS突变是胰腺癌的驱动突变。在23名胰腺癌患者和10名健康捐赠者的队列中，所有患者和1名健康捐赠者均检测到了KRAS突变。整体检测达到了100%的灵敏度、90%的特异性和91.3%的鉴别率。相比之下，使用目前的行业标准方法，在相同的23个患者样本中只有17个被检测到癌症。这项研究开发了一种从血浆中高灵敏度检测胰腺癌的新方法。进一步的改进和大规模临床试验可以推动该技术走向临床，用于早期诊断和实时治疗监测。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：MATS025 - LuminaSand：SiO₂ 中的激光诱导光电流

通信、传感和显示技术对光电器件的日益依赖，推动了人们对经济高效、可扩展且高效的替代材料的探索。传统的光电材料，例如砷化镓和氧化铟锡，面临着资源稀缺、生产成本高昂和环境问题等挑战。本研究探索了一种简单的替代方法，通过激光引发的快速退火和淬火，制备用于光电应用的硅碳纳米管 (SiCNT) 基复合材料。这种位点特异性激光处理工艺可在紫外激发下诱导局部悬浮的 SiCNT 结构和青色荧光。通过比较常温激光处理和真空激光处理，发现氧缺陷可能是导致观察到青色荧光的原因。这种激光转化的复合材料的电导率与原始状态相比提高了约 82,000 倍。器件测试进一步阐明了其有效产生光电流的能力，尤其是在 532 nm 单色激光下。这项工作凸显了 SiCNT 复合材料快速激光引发转变作为经济且可扩展的光电材料的潜力，为未来的技术应用提供了一种有希望的替代方案。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：ENEV001 - 使用 Fe-TiO2 的甲醛检测仪和清洁剂

鉴于甲醛在环境中（尤其是在室内）的普遍存在及其对健康的重大风险，本研究提出了一种经济高效、尺寸灵活的集成系统，利用新型Fe-TiO₂光催化剂实时监测并高效催化痕量甲醛。该单纳米颗粒光催化剂通过水热反应和高温煅烧合成。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）进行形貌表征，并通过X射线光电子能谱仪（XPS）、X射线衍射仪（XRD）、紫外可见光（UV-Vis）进行光谱表征，证实了该材料具有较高的表面积体积比、结晶度和均匀性，从而增强了材料的催化和电化学反应活性。改进的电化学传感器表现出高电导率和对低浓度甲醛的灵敏度，检测限为10⁻⁷M。与其他催化剂相比，Fe-TiOₓ纳米复合材料展现出卓越的光催化性能，6小时内甲醛去除率达80.0%，18小时内达89.2%，优于TiO₂、Fe-MOF、Cu-MOF和Co-MOF。三次运行的稳定性测试表明，其性能稳定，效率略有下降，彰显了其长期使用的可靠性。通过将检测和修复功能集成到一个设备中，本研究提供了一种数字化、便携式的室内空气质量管理解决方案，具有实时监测和高效催化功能。该方法克服了传统方法的局限性，拓展了其在住宅和商业环境中的应用。

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Regeneron ISEF 2025 最高奖：MATS043 - 实时评估空气传播的有害风险

铀矿开采产生的污染物——空气中的二氧化硅和铀——导致美洲原住民和采矿社区自身免疫性疾病干燥综合征 (SS) 的患病率大幅上升。这些暴露会引发免疫失调和全身器官衰竭，而由于症状多变、生物标志物不可靠以及缺乏可用的检测工具，诊断往往被延误。现有的污染物检测方法成本高昂且依赖实验室，导致 SS 的诊断延迟平均超过六年，超过 50% 的病例仍未确诊。为了解决这一问题，RADAR 应运而生：一种新型固体基质比色材料，由高表面积多孔金属有机骨架 (MOF) Cu-BTC 构成，嵌入聚乙烯醇基质中，并用茜素红 S 和钼酸铵等试剂进行功能化，用于检测铀和二氧化硅。合成了5种功能化水平（20–100%）的薄膜，并将其暴露于受控的污染物浓度中。暴露15分钟后，薄膜会发生可见的色彩变化。通过1931色度归一化，将薄膜的sRGB值转换为透射率。在100%功能化水平下观察到具有统计学意义的检测结果，铀的检测限为0.1 mg/m³，二氧化硅的检测限为5 µg/m³，信噪比分别为5.25和3.79。Shapiro-Wilk检验（p> 0.05）验证了回归模型。结构分析显示表面积增加（p<0.05），而孔隙没有塌陷（p> 0.05），从而保持了分析物的扩散。RADAR提供了一种经济实惠、可解释的早期环境筛查工具，有助于减少服务欠缺社区的诊断延误。

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Regeneron ISEF 2025 最高奖：PLNT026 - 葱属植物在向性和微重力条件下的生长

随着人类探索地外农业并推进可控环境耕作，了解植物如何在改变的非生物条件下整合定向生长信号至关重要。本研究考察了葱属植物（Allium fistulosum）在正常重力、模拟微重力（通过3D回转器；0.02 g、0.10 g、0.25 g）、均质和非均质水分分布以及中等强度磁场（拉力分别为0.10 kg、0.20 kg、0.50 kg、1.00 kg）条件下对水向性、磁向性和重力向性的生长响应。方差分析显示，处理对地上部和根系结构、生物量和叶绿素含量均有显著影响。微重力条件下，地上部长度增加，静磁场（SMF）条件下伸长率增大，这可能是由于定向信号传导中断和细胞周期加速所致。微重力条件下，地上部生物量下降，水分梯度条件下也观察到进一步降低，这可能与脱落酸 (ABA) 生物合成将资源重新分配给根系发育有关。单根微重力条件下，根系生物量和数量增加，推测是由于离子通量增强、活性氧 (ROS) 信号传导以及分生组织中细胞分裂基因的上调所致。微重力导致根系生长随机化，次生根形成减少，这可能是由于平衡石沉积紊乱导致生长素重新分布受损所致。在水分分布不均一的情况下观察到水纹，表现为向高湿度区域的侧枝和伸长。微重力条件下，叶绿素 a 和 b 含量降低，可能是由于质体分化受损所致，而单根微重力条件下则与色素水平升高有关。水分梯度条件下，叶绿素含量降低，可能是由于脱落酸 (ABA) 诱导的抑制。

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Regeneron ISEF 2025 最高奖：PHYS005 - 船舶尾流调查

在本研究中，我们探究了船舶尾流的形成和特征。长期以来，人们一直认为尾流角恒定且与船舶参数无关，但这一理论最近受到了质疑，其中最著名的质疑来自马克·拉博德 (Marc Rabaud) 和弗雷德里克·莫伊西 (Frederic Moisy) 的观察，他们观察到的尾流角远小于开尔文角。通过涵盖各种重要参数的不同实验，我们获得了经典尾流角和窄尾流角两种情况。研究结果表明，我们的新理论与实验数据更加吻合，尤其是在弗劳德数 (2.6-4.4) 范围内。我们的模型分别在较低弗劳德数和较高弗劳德数下收敛于开尔文模型和拉博德-莫伊西模型，这证明了我们的理论是该领域先前建立的模型的更普遍的情况。

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Regeneron ISEF 2025 最高奖：BMED015 - 使用PGE2作为治疗剂的神经再生

急性损伤和慢性神经退行性疾病导致的神经退行性病变，给全球数百万患者带来毁灭性的症状。目前尚无再生神经元的疗法，这意味着患有慢性神经退行性病变的患者可能永远无法恢复失去的神经功能。本项目旨在探究神经胶质细胞分泌的脂质信号分子PGE2在神经再生中的作用，以确定修饰PGE2信号或将其作为治疗手段是否能够促进轴突的再延伸。PGE2由施万细胞和星形胶质细胞分泌，但其在神经退行性病变和修复中的确切作用尚不清楚。本研究采用体外损伤范式，探究了PGE2对轴突再生的影响。研究发现，1 uM剂量的dmPGE2可促进损伤后的再生（平均轴突长度增加126.29%），有望提高损伤后细胞的存活率。 RNA Scope 分析还发现，1 uM dmPGE2 治疗可增强细胞兴奋性。为了验证其对轴突再生的影响，我们采用正交实验，通过 Brainbow AAV 转染和移植-再板实验进行全轴突切断。接下来，为了探索 PGE2 如何与复杂的体内系统中的其他受体相互作用，我们进行了分子对接。最后，基于 GWAS 的分析发现，与健康患者相比，多发性硬化症患者中参与前列腺素生成和信号传导的基因表达上调，这表明 PGE2 在炎症环境中的作用可能是神经胶质细胞为保护剩余神经元而做出的自然反应。总而言之，本项目表明，以 PGE2 信号传导为靶点的神经再生疗法或可挽救和改善数百万人的生命。

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Regeneron ISEF 2025 最高奖：BCHM037 - 用于识别TNBC外泌体的纳米系统

随着乳腺癌死亡率的上升，开发能够在转移前快速识别的早期诊断技术至关重要。三阴性乳腺癌 (TNBC) 占乳腺癌的 10-15%，其特征是缺乏雌激素、孕激素和 HER-2 受体。受体的缺乏导致靶向治疗的缺乏和更高的死亡率，凸显了早期检测的必要性。外泌体是血液中大量存在的细胞外囊泡，含有其来源细胞特有的生物标志物。如果能够检测到血液中多个 TNBC 外泌体的存在，那么将能够实现早期检测，并进一步了解癌症行为和预测最佳治疗方案。在本研究中，我们报告了一种基于水果的磁荧光碳点纳米结构的设计，用于识别与 TNBC 相关的外泌体。我们使用橙皮、黄瓜和哈密瓜有机材料制备了黄色、绿色和蓝色碳点。采用EDC/NHS偶联法将碳点与胺基功能化的Fe2O3磁性纳米粒子（MNP）偶联。MNP-碳点复合材料与适体偶联，形成磁荧光纳米结构。该纳米结构随后应用于混合外泌体环境，对肌腱蛋白C、泛素羧基末端水解酶L1和程序性细胞死亡配体-1外泌体表现出良好的特异性，从而实现了对三阴性乳腺癌（TNBC）的多外泌体检测。