DNA-metiliga testado kombinita kun inteligentaj telefonoj por frua ekzamenado de tumoroj kaj leŭkemio kun precizeco de 90.0%!

Frua detekto de kancero bazita sur likva biopsio estas nova direkto de kancera detekto kaj diagnozo proponita de la Usona Nacia Kancera Instituto en la lastaj jaroj, kun la celo detekti fruan kanceron aŭ eĉ antaŭkancerajn lezojn. Ĝi estis vaste uzata kiel nova biosigno por la frua diagnozo de diversaj malignecoj, inkluzive de pulma kancero, gastrointestaj tumoroj, gliomoj kaj ginekologiaj tumoroj.

La apero de platformoj por identigi biosignojn de metiligpejzaĝo (Methylscape) havas la potencialon signife plibonigi ekzistantan fruan rastrumon por kancero, metante pacientojn en la plej frua kuracebla stadio.

Lastatempe, esploristoj evoluigis simplan kaj rektan sentan platformon por detekto de metiliĝo-pejzaĝo bazita sur cisteamin-ornamitaj oraj nanopartikloj (Kisto/AuNP-oj) kombinitaj kun inteligenta telefono-bazita biosensilo, kiu ebligas rapidan fruan ekzamenadon de vasta gamo da tumoroj. Frua ekzamenado por leŭkemio povas esti farita ene de 15 minutoj post DNA-ekstraktado el sangospecimeno, kun precizeco de 90.0%. La artikolo-titolo estas Rapida detekto de kancera DNA en homa sango uzante cisteamin-kovritajn AuNP-ojn kaj maŝinlern-ebligitan inteligentan telefonon.

Figuro 1. Simpla kaj rapida sensa platformo por kancerrastrumo per Cyst/AuNPs-komponantoj povas esti realigita en du simplaj paŝoj.

Ĉi tio estas montrita en Figuro 1. Unue, akva solvaĵo estis uzata por solvi la DNA-fragmentojn. Kistoj/AuNP-oj estis poste aldonitaj al la miksita solvaĵo. Normala kaj maligna DNA havas malsamajn metilajn ecojn, rezultante en DNA-fragmentoj kun malsamaj mem-asembleaj padronoj. Normala DNA agregiĝas loze kaj poste agregas Kistojn/AuNP-ojn, kio rezultigas la ruĝenŝoviĝan naturon de Kistoj/AuNP-oj, tiel ke ŝanĝo de koloro de ruĝa al viola observeblas per la nuda okulo. Kontraste, la unika metilaĵa profilo de kancera DNA kondukas al la produktado de pli grandaj aretoj de DNA-fragmentoj.

Bildoj de 96-putaj platoj estis prenitaj per poŝtelefona fotilo. Kancera DNA estis mezurita per poŝtelefono ekipita per maŝinlernado kompare kun spektroskopiaj metodoj.

Kancera ekzameno en realaj sangospecimenoj

Por plivastigi la utilecon de la sensa platformo, la esploristoj aplikis sensilon, kiu sukcese distingis inter normala kaj kancera DNA en realaj sangospecimenoj. Metiligpadronoj ĉe CpG-lokoj epigenetike reguligas genekspresion. En preskaŭ ĉiuj kancertipoj, oni observis, ke ŝanĝoj en DNA-metiligo kaj tiel en la esprimo de genoj, kiuj antaŭenigas tumorigenezon, alternas.

Kiel modelon por aliaj kanceroj asociitaj kun DNA-metiligo, la esploristoj uzis sangospecimenojn de leŭkemiaj pacientoj kaj sanaj kontroloj por esplori la efikecon de la metiligpejzaĝo en diferencigado de leŭkemiaj kanceroj. Ĉi tiu metiligpejzaĝa biosigno ne nur superas ekzistantajn rapidajn leŭkemiajn ekzamenajn metodojn, sed ankaŭ montras la fareblecon etendi ĝin al frua detekto de vasta gamo da kanceroj uzante ĉi tiun simplan kaj rektan analizon.

DNA el sangospecimenoj de 31 leŭkemiaj pacientoj kaj 12 sanaj individuoj estis analizita. Kiel montrite en la kesta diagramo en Figuro 2a, la relativa absorbado de la kanceraj specimenoj (ΔA650/525) estis pli malalta ol tiu de DNA el normalaj specimenoj. Ĉi tio ŝuldiĝis ĉefe al la plifortigita hidrofobeco, kiu kondukis al densa agregaĵo de kancera DNA, kiu malhelpis la agregaĵon de Kistoj/AuNP-oj. Rezulte, ĉi tiuj nanopartikloj estis tute disigitaj en la eksteraj tavoloj de la kanceraj agregaĵoj, kio rezultigis malsaman disperson de Kistoj/AuNP-oj adsorbitaj sur normalaj kaj kanceraj DNA-agregaĵoj. ROC-kurboj estis poste generitaj per variado de la sojlo de minimuma valoro de ΔA650/525 ĝis maksimuma valoro.

Figuro 2.(a) Relativaj absorbaj valoroj de kistaj/AuNP-solvaĵoj montrantaj la ĉeeston de normala (blua) kaj kancera (ruĝa) DNA sub optimumigitaj kondiĉoj

(DA650/525) de kestdiagramoj; (b) ROC-analizo kaj taksado de diagnozaj testoj. (c) Konfuzmatrico por la diagnozo de normalaj kaj kanceruloj. (d) Sentemo, specifeco, pozitiva prognoza valoro (PPV), negativa prognoza valoro (NPV) kaj precizeco de la evoluigita metodo.

Kiel montrite en Figuro 2b, la areo sub la ROC-kurbo (AUC = 0.9274) akirita por la evoluigita sensilo montris altan sentemon kaj specifecon. Kiel videblas el la kesta diagramo, la plej malalta punkto reprezentanta la normalan DNA-grupon ne estas bone apartigita de la plej alta punkto reprezentanta la kanceran DNA-grupon; tial, loĝistika regreso estis uzata por diferencigi inter la normalaj kaj kanceraj grupoj. Konsiderante aron de sendependaj variabloj, ĝi taksas la probablecon de okazaĵo, kiel ekzemple kancera aŭ normala grupo. La dependa variablo varias inter 0 kaj 1. La rezulto estas do probableco. Ni determinis la probablecon de kancera identigo (P) surbaze de ΔA650/525 jene.

kie b=5.3533,w1=-6.965. Por specimena klasifiko, probableco malpli ol 0.5 indikas normalan specimenon, dum probableco de 0.5 aŭ pli alta indikas kanceran specimenon. Figuro 2c prezentas la konfuzan matricon generitan de la krucvalidigo "lasu-ĝin-alone", kiu estis uzita por validigi la stabilecon de la klasifikmetodo. Figuro 2d resumas la diagnozan testan taksadon de la metodo, inkluzive de sentemo, specifeco, pozitiva prognoza valoro (PPV) kaj negativa prognoza valoro (NPV).

Smartphone-bazitaj biosensiloj

Por plue simpligi provaĵtestadon sen la uzo de spektrofotometroj, la esploristoj uzis artefaritan inteligentecon (AI) por interpreti la koloron de la solvaĵo kaj distingi inter normalaj kaj kanceraj individuoj. Konsiderante tion, komputila vido estis uzata por traduki la koloron de la Cisto/AuNPs-solvaĵo en normalan DNA-on (viola) aŭ kanceran DNA-on (ruĝa) uzante bildojn de 96-putaj platoj prenitaj per poŝtelefona fotilo. Artefarita inteligenteco povas redukti kostojn kaj plibonigi alireblecon en interpretado de la koloro de nanopartiklaj solvaĵoj, kaj sen la uzo de iuj ajn optikaj aparataraj akcesoraĵoj por inteligentaj telefonoj. Fine, du maŝinlernadaj modeloj, inkluzive de Hazarda Arbaro (RF) kaj Subtena Vektora Maŝino (SVM), estis trejnitaj por konstrui la modelojn. Ambaŭ la RF- kaj SVM-modeloj ĝuste klasifikis la specimenojn kiel pozitivajn kaj negativajn kun precizeco de 90.0%. Ĉi tio sugestas, ke la uzo de artefarita inteligenteco en poŝtelefona biosensado estas tute ebla.

Figuro 3.(a) Cela klaso de la solvaĵo registrita dum la preparado de la specimeno por la bilda akira paŝo. (b) Ekzempla bildo prenita dum la bilda akira paŝo. (c) Kolorintenseco de la kisto/AuNP-solvaĵo en ĉiu puto de la 96-puta plato eltirita el la bildo (b).

Uzante Cyst/AuNPs, esploristoj sukcese evoluigis simplan sentan platformon por detekto de metiliĝo-pejzaĝo kaj sensilon kapablan distingi normalan DNA-on de kancera DNA kiam oni uzas realajn sangospecimenojn por leŭkemio-rastrumo. La evoluigita sensilo montris, ke DNA ekstraktita el realaj sangospecimenoj kapablis rapide kaj kostefike detekti malgrandajn kvantojn de kancera DNA (3nM) en leŭkemiaj pacientoj en 15 minutoj, kaj montris precizecon de 95.3%. Por plue simpligi specimentestadon forigante la bezonon de spektrofotometro, maŝinlernado estis uzata por interpreti la koloron de la solvaĵo kaj diferencigi inter normalaj kaj kanceraj individuoj uzante poŝtelefonan foton, kaj precizeco ankaŭ povis esti atingita je 90.0%.

Referenco: DOI: 10.1039/d2ra05725e