癫痫是脑内神经元异常放电引发的慢性神经系统疾病，全球患者超6800万。尽管抗癫痫药物研发不断推进，仍有约1/3患者进展为难治性癫痫（DRE）。手术切除致痫灶是最具潜力的干预手段，但预后高度依赖术中精准定位致痫灶。病灶切除不完整易导致术后复发，过度切除则可能造成神经功能不可逆损伤。现有致痫灶定位技术多依赖电生理与结构影像，缺乏组织特异性与实时反馈能力，难以满足术中精准导航需求。因此，开发兼具组织特异性与空间分辨率的致痫灶定位策略，对提升DRE手术疗效具有重要临床意义。
复旦大学药学院李聪教授联合王聪青年研究员、戚逸飞副研究员、复旦大学生物医学工程学院余锦华教授和复旦大学附属华山医院邹翔主治医师，构建了一种基于双通道逻辑门控的AI辅助双酶活性响应SERS平台定位致痫灶。相关研究成果于近日以“AI-Assisted SERS Decoding of Dual Enzymatic Activity for Intraoperative Chemical Mapping of Epilepsy”为题，发表在Journal of the American Chemical Society杂志。
慢性神经炎症与组织结构重塑是癫痫演进的核心病理。基质金属蛋白酶-2（MMP-2）作为介导细胞外基质重塑的关键酶，可通过反馈炎症微环境勾勒癫痫区域。但神经炎症是脑部疾病普遍病理特征，仅MMP-2酶活性无法特异性区分致痫灶与邻近炎症组织，造成定位假阳性。半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（Caspase-3）是神经元凋亡核心标志物，但易受组织异质性干扰，造成定位假阴性。鉴于此，团队提出构建“MMP-2初筛定位+Caspase-3精准确认”的双酶联合逻辑门控策略，分别从炎症重塑与神经元凋亡两个维度表征致痫灶，准确锚定病灶活性核心区。
尽管双酶联合定位致痫灶具备病理学依据，目前仍缺乏术中对双酶活性实时、同步检测技术。传统免疫分析检测周期长，且缺乏组织空间分布信息。荧光成像存在多通道光谱重叠问题，质谱则难以动态反馈酶活性。拉曼光谱凭借独特的分子“指纹”特征及窄峰宽，非常适合多种分子标志物同步检测。前期工作中，团队构建了系列表面增强拉曼散射（SERS）阵列用于不同类型肿瘤标志物高特异性、高灵敏度、多事件监测。然而，上述阵列用于多重酶活性定量仍面临挑战：一是脑组织异质性强，缺乏稳定内参校正信号波动；二是双酶反应动力学不匹配，干扰同步检测准确性；三是双通道复杂光谱解耦困难。因此，需构建面向术中定位致痫灶的双酶活性分析平台。
研究团队构建的AI辅助双酶活性快速检测SERS平台可以实现癫痫灶的快速定位（图1）。其创新点包括：（1）AI驱动的底物动力学匹配：采用AI联合Rosetta结构引导底物延伸策略（SSE-AI），通过定向设计与筛选，获得了一条具有快速MMP-2酶切能力的十氨基酸多肽，使其反应动力学速率与Caspase-3匹配，解决了同步检测难题。（2）内参校正实现精准定量：构建了普鲁士蓝掺杂的金纳米星基底。利用氰基在生物静默区的特征峰作为稳定内参，实现了酶活性的比率定量，提升了检测鲁棒性。（3）DBC-KAN算法极速解码：建立了联合双分支交叉注意力机制与KAN网络的DBC-KAN模型。通过捕捉酶反应早期的微小谱峰变化，实现双酶活性的快速、准确、同步预测。该SERS平台能够区分正常脑组织、单纯炎症区域和癫痫核心区，从分子层面为癫痫患者精准手术切除提供了具有转化潜力工具。
图1. AI辅助双酶活性快速检测SERS平台实现癫痫灶的快速定位。
复旦大学药学院博士生赵静、陈志航、魏子豪和华山医院陈铭为本文共同第一作者。复旦大学药学院李聪教授、王聪青年研究员、戚逸飞副研究员、复旦大学生物医学工程学院余锦华教授和复旦大学附属华山医院邹翔主治医师为本文共同通讯作者。该工作获得国家科技部重点研发项目、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划、上海人工智能实验室AI4S攀登者项目支持。
原文链接：https://pubs.acs.org/a/5260077?guestAccessKey=3013eeef-d4f2-4990-afc6-15918eede967
