Regeneron ISEF 2025 大奖:BCHM006 - 改进生育力评估的新型测试方法

由于血液中抗苗勒氏管激素 (AMH) 浓度低,且需要依赖训练有素的人员进行可靠的血液采集,因此在家采集血液(例如用于生育力检查的干血片)一直颇具挑战性。AMH 是由卵巢中生长缓慢的窦状卵泡 (AFC) 产生的激素,被认为可以反映女性的生殖潜能。本研究旨在开发并验证一种使用干基质微量样本 (DMMS) 的 AMH 血液检测方法,这是一种允许单滴血持续吸收的新技术。这种 DMMS AMH 检测方法方便、经济高效、易于获取,并有助于早期评估女性的生育能力。诊断低反应患者(≤5AFC,POI)将有助于避免重复 IVF 周期,而诊断高反应患者(>40AFC,PCOS)将有助于避免卵巢过度刺激。此外,该检测方法还可以帮助乳腺癌患者评估其在雌激素治疗前后的生育能力。使用 DMMS 测量的 AMH 具有可重复性(<8%CV)、准确性(与 FSH、LH、抑制素 B 和雌二醇无交叉反应),并且对血细胞比容无显著干扰(线性稀释,y=0.98x)。DMMS AMH 测量值与血浆 AMH 水平高度相关(rs=0.996),斜率为 0.66。可将系数为 0.66 的 DMMS AMH 浓度报告为血浆当量。DMMS AMH 测量值与使用经阴道超声收集的 AFC 高度相关(rs=0.813)。在 >5AFC 和 AMH 截止值为 0.66ng/mL 时进行生育力评估的灵敏度为 91.8%,准确度为 90.9%。在 AMH 测试中加入抑制素 B 测量值可将灵敏度提高到 95.9%,准确度为 94.6%。

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Regeneron ISEF 2025 大奖: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。

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Regeneron ISEF 2025 大奖:BCHM013 - 针对 DNP mRNA 递送的 IAJD 设计优化

可电离脂质纳米颗粒 (LNP) 是 mRNA 疗法的主流递送机制。pH 敏感质子化使其膜能够根据周围 pH 值进行有利的(去)稳定化,从而最大限度地降低血流毒性并促进内吞后逃逸。然而,LNP 的 mRNA 转染效率 (TE) 受限于其进入靶细胞的效率。为了克服这些局限性,近期开发了树枝状聚合物纳米颗粒 (DNP) 递送系统,该系统采用可电离两亲性 Janus 树枝状聚合物 (IAJD),并因其结构(单组分)简单性和更高的稳定性而成为一种有前景的替代方案。本研究旨在阐明特定 IAJD 结构组分对 mRNA TE 的影响,并开发新型 IAJD 候选物,以实现最大预测 TE 并降低合成复杂性。系统地定义和编码了结构成分和 DNP 配制条件,以便进行计算分析。荧光素酶诱导的 HEK293T 发光被用作 mRNA TE 的定量指标。利用极端梯度提升法 (Extreme Gradient Boosting) 开发了一种新的 TE 预测模型,该模型克服了数据集不平衡的问题,最终得到了三个新的、优化的 IAJD 候选物,其预测 TE 值超过了之前已鉴定的 IAJD。第一个设计表现出比 IAJD22(现有体外发光最高的 IAJD)更低的合成复杂度,表明在不影响 TE 的情况下,实验室规模/工业合成的可行性更高。这些发现凸显了机器学习驱动的 IAJD 优化的潜力。结合高通量体外试验,该方法可以显著加速 mRNA 疗法的开发,并改进递送机制。本研究首次提出了针对 mRNA TE 的 IAJD 结构优化的计算研究。

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Regeneron ISEF 2025 大奖:BCHM005 - 用于精神障碍诊断的传感器和生物传感器

大约七分之一的人在青少年时期会经历精神障碍。目前,诊断这些疾病的主要方法是通过临床工具(在线评估或问卷调查)。本项目提议开发一种新型传感器和生物传感器,用于检测两种有助于精神障碍诊断的生物标志物:血清素(5-HT)和microRNA-1202。为了开发5-HT传感器,将使用基于邻苯二胺(OPD)的分子印迹聚合物(MIP)。MIP将在玻碳电极表面合成,含有OPD单体和5-HT模板。随后的清洗将形成用于选择性5-HT识别的空腔。为了开发microRNA生物传感器,四通连接(4WJ)技术首次应用于microRNA-1202的识别。 4WJ 由 DNA 茎环探针 (SL) 组成,该探针连接到金电极上,用于识别目标 (microRNA-1202)。m 链和 f 链(各包含一半 SL 和 microRNA-1202 互补序列)用于提供选择性并辅助杂交过程。5-HT 传感器的检测限 (LOD) 为 3.2 μM,microRNA-1202 的检测限为 0.5 纳摩尔。两者均具有较高的重现性(10% 或更低)、选择性和灵敏度。使用 HPLC 参考方法和 microRNA-1202 生物传感器的样品回收率对 5-HT 传感器进行了验证。未来的工作包括将这些传感器应用于血液和唾液等生物样本。

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Regeneron ISEF 2025 大奖:BCHM038 - 利用酶进行可持续生物燃料生产

生物燃料是应对气候变化的关键,因为它可以作为化石燃料的低碳替代品,从而减少温室气体排放。高效地将废弃物转化为燃料可以促进循环经济,并以可持续的方式应对环境和能源挑战。本研究探索利用来自非微生物废弃物(例如植物叶片、种子和果皮)的酶,分解模拟的农业、家庭和咖啡废弃物,以生产生物燃料。提取淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶等酶,通过泡沫分离富集,并研究其酶动力学。这些酶被固定在食品基质上,并使用朗缪尔和弗罗因德利希吸附模型进行表征。采用析因设计(2个水平,5个因子;90次实验)优化条件后,在受控生物反应器中考察了好氧和厌氧条件下的油提取。采用电凝聚和电氧化法澄清废弃物中的污泥,并对澄清后的油进行化学和酶促酯交换反应。在有氧条件下,模拟生活垃圾的油提取效率最高,增重显著,含油率也显著提高。相反,在厌氧条件下,咖啡渣的增重和含油率最高(30% w/w)。本研究通过统计响应面法 (RSM) 和中心复合设计 (CCD) 优化条件,研究了高产酶促酯交换反应。从垃圾中提取的油产率为 14–32%,其中 86% 转化为关键生物柴油成分 FAAE。使用近红外光谱 (NIRS) 分析 FAAE 的形成。采用 ASTM 铜氧化试验对最终富含 FAAE 的生物柴油进行了可行性测试。

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Regeneron ISEF 2025 大奖:BCHM014 - 用于溶菌酶检测的新型生物传感器

溶菌酶(一种抗菌酶)的检测对单核细胞白血病、结节病和阿尔茨海默氏症等疾病具有重要意义,在精准抗生素治疗、预防性疾病诊断、天然防腐剂以及增强先天免疫力的生物技术研发中仍具有核心作用。尽管现有的生物传感器检测限较低,但其对溶菌酶的精确检测依赖于改性纳米粒子、特定适体等的使用,这会增加生产成本,影响其在工业中的普及。因此,本研究介绍了一种利用分子印迹聚合物 (MIP) 技术检测溶菌酶的电化学生物传感器,该传感器具有生理相关的检测限、定量限和空白限,并具有显著的琼脂糖自修复能力,同时将生产成本降低至每个传感器 0.40 至 0.50 美元。该研究通过循环伏安法评估和优化了生物传感器结构的性能:(i)通过加入 ZnO QD,(ii)通过使用聚乙烯醇-聚乙二醇基质,以及 iii)通过赋予琼脂糖凝胶自修复能力,最终得到优化的 1% MI​​P、5% PVA - 2% PEG、4% ZnO Qds 和 8% 琼脂糖凝胶基质。该传感器的结构用途广泛,只需通过简单的修改——用目标蛋白质本身的 MIP 替换传感器结构中的 MIP——即可轻松应用于其他研究不足的蛋白质,从而为早期研究不足的蛋白质提供一种精确的检测方法。

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Regeneron ISEF 2025 大奖:BCHM021 - 利用新型共轭化学生成AOC

寡核苷酸,尤其是siRNA,因其能够精准靶向“不可成药”的靶点而备受关注。siRNA(小干扰RNA)能够结合并引导细胞质中的RNA诱导沉默复合物(RISC),从而导致特定靶向mRNA的降解。尽管寡核苷酸化学技术取得了进展,但将其递送至肝外组织仍然是一项挑战。目前FDA批准的递送系统,例如脂质纳米颗粒(LNP)和三价GalNAc,主要靶向肝脏。然而,抗体正逐渐成为一种有望将寡核苷酸靶向肝外递送的方案。抗体寡核苷酸偶联物(AOC)利用抗体基于受体的摄取功能,将siRNA精准递送至身体的目标区域。然而,目前用于生成AOC的化学方法要么效率低下,要么缺乏位点特异性。我的研究提出了一种用于生成AOC的新型位点特异性偶联技术。该方法结合了酶促转谷氨酰胺酶反应和逆电子需求狄尔斯-阿尔德 (IEDDA) 反应。具体而言,通过转谷氨酰胺酶将四嗪连接体添加到抗体上,然后通过尺寸排阻色谱法 (SEC) 进行纯化。然后,使用 IEDDA 将 siRNA 与抗体连接体偶联,并用 SEC 进行纯化,使寡核苷酸与抗体的比率 (OAR) 达到 ~1,并通过紫外-可见光和疏水相互作用色谱法进行确认。聚集率极低 (<5%),内毒素水平低 (<0.5 EU/mg)。这种新颖的偶联化学方法成功生成了抗氧化活性化合物 (AOC),并将在体内测试其敲低效果。未来的应用包括将这种化学方法应用于生成其他形式的抗体,例如抗体连接型脂质纳米颗粒 (Ab-LNP)。

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Regeneron ISEF 2025 大奖:BCHM030 - 代谢中机器学习的酶距离概念

理解和重建代谢途径有助于识别与全身性疾病(例如癌症和心血管疾病)相关的生物标志物和代谢变化。然而,在大多数代谢组学数据集中,超过一半的实验检测到的代谢物可能未经注释,这使得它们在特定途径中的参与程度在很大程度上未知。本研究表明,距离概念可以通过确定未注释代谢物与已知代谢物之间的“距离”来帮助将其定位到代谢网络的特定部分。“酶促距离”这一新概念的提出是为了量化代谢过程中任意两种代谢物在酶促步骤和它们之间的物质流动方面的分离。酶促距离由两个指标来评估:共享原子映射数和反应中心原子数,这两个指标是两种化合物反应路径的平均数。然后,对单变量和多变量多层感知回归模型进行了超过 100 个周期和 30 次交叉验证迭代的训练和评估,以仅根据目标代谢物的化学结构特征来预测它们之间的酶促距离指标。单变量(R2=0.961)和多变量(R2=0.958)回归模型能够稳健地预测原子映射,而单变量(R2=0.876)和多变量(R2=0.859)回归模型对反应中心的预测准确率则显著降低。单变量回归模型对这两个指标的预测准确率高于多变量回归模型(p值<0.001),因为分别预测这两个指标的准确率更高。量化和预测已知和未知代谢物之间的关系有助于解释人体中未注释的代谢物,从而有助于代谢疾病的检测和解释。

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Regeneron ISEF 2025 大奖:BCHM024 - Gid8 对癌症 Wnt 信号的调控

超过90%的结直肠癌和50%的乳腺癌是由Wnt信号过度活跃引起的。它是由突变型β-catenin(果蝇中的ArmS10)的过度核易位驱动的,但确切的易位机制尚不清楚。Gid8是一种已知能促进正常Wnt信号传导的泛素连接酶,但从未在过度活跃的癌性Wnt信号传导中进行过测试。本研究旨在探究Gid8在过度活跃的Wnt信号传导中的作用,并精确定位介导其参与的功能域。对表达ArmS10(有/无Gid8敲低)的GAL4/UAS编辑果蝇进行了分析。Gid8敲低抑制了过度活跃的Wnt活性,挽救了癌性表型(p<0.0001),揭示了Gid8作为致癌Wnt信号传导的新型调控因子。荧光成像显示,Gid8 与 Kinesin-2/IFT140(p<0.0001)共定位,后者是引导野生型 β-catenin 的转运蛋白,提示 Gid8 参与了核转运。这揭示了一种此前未被认识的机制,或许可以解释 ArmS10 的入核机制。此外,免疫共沉淀试验证实了 Gid8/ArmS10 的结合(p<0.01),这首次提供了生化证据,证明 Gid8 促进了高活性 Wnt 信号转导中的核转位。为了进一步明确这些发现,研究人员将野生型或突变型 Gid8 转染入人胚肾细胞。结果显示,只有野生型 Gid8 定位至细胞核,而 C 端突变则阻止了其定位(p<0.0001)。这证实了 Gid8 C 端在 Wnt 活性中的重要作用,并强调了其作为干扰高活性信号转导的靶点的作用。这项研究揭示了 Gid8 及其 C 端作为过度活跃的 Wnt 信号传导的新型高度特异性调节器,为破坏当前疗法失败的 Wnt 驱动癌症提供了一个有针对性的切入点。

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Regeneron ISEF 2025 大奖:BEHA048 - emoTune:基于人工智能的自闭症表达教练

自闭症谱系障碍 (ASD) 患者难以理解面部表情。尽管辅助技术已经发展到可以帮助这些人识别通过面部表情所描绘的情绪,但这些现有方法仍然存在缺陷。本实验引入了一种新的辅助技术方法,即一款名为 emoTune 的 iOS 应用,它可以帮助用户在自己的时间识别和形成面部表情。emoTune 的有效性通过参与者在改良版 BERT(柏林表情识别测试)测试和自我识别的七种最常见情绪图像中的进步来衡量。参与者使用 emoTune 练习了七周,并被分成两组:使用 emoTune 练习的参与者和未使用 emoTune 的参与者(对照组)。练习的参与者每周使用 emoTune 2 至 7 天(每天 10 分钟),以确保规律性,同时为他们的时间投入提供灵活性。研究最后以改良版 BERT 测试作为比较。自闭症患者在初次评估中的得分低于神经正常人群,而两组患者(也使用 emoTune 进行练习)在两次评估之间均表现出识别和形成方面的进步。

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