DNA-metylaasjetesten yn kombinaasje mei smartphones foar iere screening fan tumors en leukemyscreening mei in krektens fan 90,0%!

Iere deteksje fan kanker basearre op floeibere biopsie is in nije rjochting fan kankerdeteksje en -diagnoaze dy't de lêste jierren troch it US National Cancer Institute foarsteld is, mei it doel om iere kanker of sels prekankerige laesjes te detektearjen. It is breed brûkt as in nije biomarker foar de iere diagnoaze fan ferskate maligniteiten, ynklusyf longkanker, gastrointestinale tumors, gliomen en gynekologyske tumors.

De opkomst fan platfoarms om metylaasjelânskip (Methylscape) biomarkers te identifisearjen hat de potinsje om besteande iere screening op kanker signifikant te ferbetterjen, wêrtroch pasjinten yn it ierst behannelbere stadium komme.

Koartlyn hawwe ûndersikers in ienfâldich en direkt sensorplatfoarm ûntwikkele foar it opspoaren fan metylaasjelânskippen basearre op mei cysteamine fersierde gouden nanopartikels (Cyst/AuNP's) kombineare mei in smartphone-basearre biosensor dy't rappe iere screening fan in breed skala oan tumors mooglik makket. Iere screening op leukemy kin binnen 15 minuten nei DNA-ekstraksje út in bloedmonster útfierd wurde, mei in krektens fan 90,0%. Artikeltitel is Fluchdeteksje fan kanker-DNA yn minsklik bloed mei help fan mei cysteamine bedekte AuNP's en in smartphone mei masinelearen.

Figuer 1. In ienfâldich en rap sensorplatfoarm foar kankerscreening fia Cyst/AuNPs-komponinten kin yn twa ienfâldige stappen berikt wurde.

Dit wurdt werjûn yn figuer 1. Earst waard in wetterige oplossing brûkt om de DNA-fragminen op te lossen. Cyst/AuNP's waarden doe tafoege oan 'e mingde oplossing. Normaal en maligne DNA hawwe ferskillende metylaasje-eigenskippen, wat resulteart yn DNA-fragminen mei ferskillende selsassemblagepatroanen. Normaal DNA aggregeart losjes en aggregeart úteinlik Cyst/AuNP's, wat resulteart yn 'e readferskowe aard fan Cyst/AuNP's, sadat in feroaring yn kleur fan read nei pears mei it bleate each waarnommen wurde kin. Yn tsjinstelling liedt it unike metylaasjeprofyl fan kanker-DNA ta de produksje fan gruttere klusters fan DNA-fragminen.

Ofbyldings fan 96-putplaten waarden makke mei in smartphonekamera. Kanker-DNA waard metten troch in smartphone foarsjoen fan masinelearen yn ferliking mei spektroskopie-basearre metoaden.

Kankerscreening yn echte bloedmonsters

Om it nut fan it sensorplatfoarm út te wreidzjen, brûkten de ûndersikers in sensor dy't mei súkses ûnderskied makke tusken normaal en kankerachtich DNA yn echte bloedmonsters. Methylaasjepatroanen op CpG-plakken regelje epigenetysk genekspresje. Yn hast alle kankertypen binne feroarings yn DNA-methylaasje en dus yn 'e ekspresje fan genen dy't tumorigenese befoarderje waarnommen dy't wikselje.

As model foar oare kankersoarten dy't ferbûn binne mei DNA-metylaasje, brûkten de ûndersikers bloedmonsters fan leukemypasjinten en sûne kontrôles om de effektiviteit fan it metylaasjelânskip te ûndersykjen by it ûnderskieden fan leukemyske kankers. Dizze biomarker foar metylaasjelânskip prestearret net allinich better as besteande rappe leukemyscreeningsmetoaden, mar demonstrearret ek de mooglikheid fan útwreiding nei iere deteksje fan in breed skala oan kankersoarten mei dizze ienfâldige en rjochtlinige assay.

DNA út bloedmonsters fan 31 leukemypasjinten en 12 sûne persoanen waard analysearre. Lykas te sjen is yn 'e boxplot yn figuer 2a, wie de relative absorbânsje fan 'e kankermonsters (ΔA650/525) leger as dy fan DNA út normale monsters. Dit wie benammen te tankjen oan de ferhege hydrofobisiteit dy't late ta tichte aggregaasje fan kanker-DNA, wat de aggregaasje fan Cyst/AuNP's foarkaam. As gefolch wiene dizze nanopartikels folslein ferspraat yn 'e bûtenste lagen fan' e kankeraggregaten, wat resultearre yn in ferskillende fersprieding fan Cyst/AuNP's adsorbearre op normale en kanker-DNA-aggregaten. ROC-krommen waarden doe generearre troch de drompel te fariearjen fan in minimale wearde fan ΔA650/525 oant in maksimale wearde.

Figuer 2.(a) Relative absorbânsjewearden fan cyste/AuNPs-oplossingen dy't de oanwêzigens fan normaal (blau) en kanker (read) dna ûnder optimalisearre omstannichheden sjen litte

(DA650/525) fan boxplots; (b) ROC-analyze en evaluaasje fan diagnostyske testen. (c) Betizingsmatrix foar de diagnoaze fan normale en kankerpasjinten. (d) Gefoelichheid, spesifisiteit, positive foarsizzingswearde (PPV), negative foarsizzingswearde (NPV) en krektens fan 'e ûntwikkele metoade.

Lykas te sjen is yn figuer 2b, liet it gebiet ûnder de ROC-kromme (AUC = 0.9274) dat krigen waard foar de ûntwikkele sensor in hege gefoelichheid en spesifisiteit sjen. Lykas te sjen is yn 'e boxplot, is it leechste punt dat de normale DNA-groep fertsjintwurdiget net goed skieden fan it heechste punt dat de kanker-DNA-groep fertsjintwurdiget; dêrom waard logistyske regresje brûkt om ûnderskied te meitsjen tusken de normale en kankergroepen. Mei in set ûnôfhinklike fariabelen wurdt de kâns skat dat in barren foarkomt, lykas in kanker- of normale groep. De ôfhinklike fariabele leit tusken 0 en 1. It resultaat is dêrom in kâns. Wy hawwe de kâns op kankeridentifikaasje (P) bepaald op basis fan ΔA650/525 as folget.

wêrby't b=5.3533,w1=-6.965. Foar stekproefklassifikaasje jout in kâns fan minder as 0.5 in normale stekproef oan, wylst in kâns fan 0.5 of heger in kankerstekproef oanjout. Figuer 2c toant de betizingmatrix dy't generearre is út 'e leave-it-alone-krúsfalidaasje, dy't brûkt waard om de stabiliteit fan 'e klassifikaasjemetoade te falidearjen. Figuer 2d jout in gearfetting fan 'e diagnostyske testevaluaasje fan' e metoade, ynklusyf gefoelichheid, spesifisiteit, positive foarsizzingswearde (PPV) en negative foarsizzingswearde (NPV).

Biosensors basearre op smartphones

Om it testen fan stekproeven fierder te ferienfâldigjen sûnder gebrûk fan spektrofotometers, brûkten de ûndersikers keunstmjittige yntelliginsje (KI) om de kleur fan 'e oplossing te ynterpretearjen en ûnderskied te meitsjen tusken normale en kankerige yndividuen. Mei dit yn gedachten waard kompjûterfisy brûkt om de kleur fan 'e Cyst/AuNPs-oplossing te oersetten yn normaal DNA (pears) of kankerich DNA (read) mei help fan ôfbyldings fan 96-putplaten dy't makke binne fia in mobile tillefoankamera. Keunstmjittige yntelliginsje kin kosten ferminderje en de tagonklikens ferbetterje by it ynterpretearjen fan 'e kleur fan nanopartikeloplossingen, en sûnder gebrûk fan optyske hardware-accessoires foar smartphones. Uteinlik waarden twa masinelearmodellen, ynklusyf Random Forest (RF) en Support Vector Machine (SVM), traind om de modellen te konstruearjen. Sawol de RF- as de SVM-modellen klassifisearren de stekproeven korrekt as posityf en negatyf mei in krektens fan 90,0%. Dit suggerearret dat it gebrûk fan keunstmjittige yntelliginsje yn biosensing basearre op mobile tillefoans hiel goed mooglik is.

Figuer 3. (a) Doelklasse fan 'e oplossing opnommen tidens de tarieding fan it stekproef foar de ôfbyldingswinningsstap. (b) Foarbyldôfbylding nommen tidens de ôfbyldingswinningsstap. (c) Kleurintensiteit fan 'e cyste/AuNPs-oplossing yn elke putsje fan 'e 96-putsplaat dy't út 'e ôfbylding helle is (b).

Mei help fan Cyst/AuNP's hawwe ûndersikers mei súkses in ienfâldich sensorplatfoarm ûntwikkele foar it opspoaren fan metylaasjelânskippen en in sensor dy't normaal DNA kin ûnderskiede fan kanker-DNA by it brûken fan echte bloedmonsters foar leukemyscreening. De ûntwikkele sensor liet sjen dat DNA dat út echte bloedmonsters helle waard, lytse hoemannichten kanker-DNA (3nM) by leukemypasjinten yn 15 minuten fluch en kosteneffektyf koe opspoare, en in krektens fan 95,3% sjen liet. Om it testen fan stekproeven fierder te ferienfâldigjen troch de needsaak foar in spektrofotometer te eliminearjen, waard masinelearen brûkt om de kleur fan 'e oplossing te ynterpretearjen en ûnderskied te meitsjen tusken normale en kankerige persoanen mei in foto fan in mobile tillefoan, en in krektens koe ek berikt wurde fan 90,0%.

Referinsje: DOI: 10.1039/d2ra05725e