用于检测受体功能与表达的分子背散射通信技术

《Nano Communication Networks》：Molecular backscatter communication for receptors’ functionality and expression detection

　　安基特•通过提出一种基于后向散射的新型分子通信方式，实现了对受体功能与表达的检测。该技术利用维特比算法以及基于多数规则和等增益组合规则的空间多样性方案来检测受体的功能。这项研究有助于早期诊断那些由细胞信号通路失调引发的疾病或健康问题。

引言
分子通信是构建各种体内网络的关键，例如生物纳米物互联网（IoBNT）[1]和每个纳米物互联网（IoENT）[2]。这类体内网络将通过在早期诊断、健康监测和药物递送方面带来前所未有的改进，从而彻底改变医疗行业[3]，并为基于信息和通信技术的医疗解决方案做出贡献[4]。

许多疾病和代谢异常，如糖尿病、癌症、自身免疫性疾病、神经系统疾病、心血管疾病等，都是由于细胞信号通路的失调所导致的[5]、[6]、[7]。因此，监测这些通路将成为用于医疗保健的体内网络的重要功能。细胞受体在这些细胞信号通路中起着至关重要的作用，因为细胞外配体对其的刺激会引发细胞内信号转导[8]。然而，多种疾病会导致受体功能下降或受体表达异常。在本文中，我们提出了一种基于后向散射的机制，用于评估组织表面或细胞膜上受体的功能。本文的创新点包括：
1. 通过提出一种基于后向散射的新型分子通信方式，实现了对受体功能与表达的检测。
2. 利用隐马尔可夫模型对具有记忆功能的通信过程进行建模，并采用维特比算法来检测受体功能。
3. 还提出了一种另一种空间多样性检测方法，该方法采用三种接收器配置，并运用多数决策和等增益组合规则来检测后向散射分子的浓度。
4. 针对这两种检测方法，在不同发射分子数量的情况下，分析了量化受体功能时的误差概率。

其余内容结构如下：第2节探讨了采用后向散射通信方案的动机；第3节介绍了用于建模细胞内外环境的系统模型；第4节阐述了所提出的通信方案，第5节给出了数值结果；第6节为文章结论。

动机
细胞信号在维持人体正常的代谢活动中起着至关重要的作用。在体内环境中，细胞间信号传递通常是通过配体-受体相互作用实现的。受体存在于组织表面或细胞的质膜上，而配体则可能存在于细胞外环境中，它们与受体结合后引发进一步的信号转导。功能异常的受体会抑制细胞信号传导，从而导致各种问题。

系统模型
假设如图1所示，存在一个由笛卡尔坐标x、y和z描述的三维几何结构。分子源位于原点，即(0,0,0)。该源在时间t=nTs时立即释放分子，其中n∈{0}?Z+，Ts为符号时间间隔。分子释放过程在数学上可以用冲激函数δ(t?nTs)表示，δ(?)为狄拉克δ函数。这些释放出的信息分子具有扩散系数D。

所提出的通信方案
在本节中，我们将受体表达和功能检测的问题转化为一种通信方案。该通信方案包含四个组成部分：一个点源发射器、作为后向散射发射器的无限大墙壁、多个球形吸收接收器以及一个扩散通道。点源在nTs时刻释放的N个分子会在细胞外环境中随机扩散，其中一些分子会均匀地到达无限大墙壁。

数值结果
在本节中，我们通过使用维特比检测器和多数/等增益组合规则，展示了所提出的基于后向散射的辅助通信方案的性能。首先确定空间几何结构的参数：点源位于原点，即(0,0,0)；具有吸收功能的无限反射墙位于x=?d=?8μm处的yz平面。采用了两种不同的接收策略，一种是维特比检测，此时使用单个球形接收器。

结论
在本文中，我们提出并研究了一种受后向散射通信启发的新型分子通信方式[28]、[29]。其任务是通过观察无限大墙壁附近球形吸收接收器所捕获的残留分子和后向散射分子的数量，来评估组织表面或细胞膜上受体的性能。在存在干扰信号的情况下，该通信方案的性能是通过(a)维特比算法和(b)空间多样性技术来评估的。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

安基特于2011年在印度兰契的比尔拉理工学院梅斯拉分校获得电子与通信工程学士学位，2016年在印度斋浦尔的马拉维亚国立理工学院获得无线与光通信工程硕士学位，2020年在印度新德里的印度理工学院获得分子通信博士学位。他目前是马拉维亚国立理工学院电子与通信工程系的助理教授。