DNA metüülimise test koos nutitelefonidega kasvajate varajaseks ja leukeemia sõelumiseks täpsusega 90,0%!

Vedela biopsia põhjal vähktõve varajane avastamine on viimastel aastatel USA riikliku vähiinstituudi välja pakutud vähi avastamise ja diagnoosi uus suund eesmärgiga tuvastada varane vähk või isegi vähieelsed kahjustused. Seda on laialdaselt kasutatud uudse biomarkerina mitmesuguste pahaloomuliste kasvajate, sealhulgas kopsuvähi, seedetrakti kasvajate, glioomide ja günekoloogiliste kasvajate varajaseks diagnoosimiseks.

Platvormide tekkimine metüülimismaastiku (metüülsüscape) biomarkerite tuvastamiseks võib potentsiaali märkimisväärselt parandada vähktõve olemasolevat varajast sõeluuringut, seades patsiendid kõige varaseimasse ravitavasse staadiumisse.

Hiljuti on teadlased välja töötanud lihtsa ja otsese anduri platvormi metüülimismaastiku tuvastamiseks, mis põhineb tsüstemiini kaunistatud kuld nanoosakestel (Cyst/AuNP) koos nutitelefonipõhise biosensoriga, mis võimaldab paljude kasvajate kiiret varajast sõelumist. Leukeemia varajast sõelumist saab läbi viia 15 minuti jooksul pärast DNA ekstraheerimist vereproovist, täpsusega 90,0%. Artikli pealkiri on vähi DNA kiire tuvastamine inimese veres, kasutades tsüstemiiniga kaetud AuNP-sid ja masinõppe toega nutitelefoni。

Joonis 1. Cyst/AuNPSi komponentide kaudu vähi sõeluuringu lihtsat ja kiiret tundvat platvormi saab teha kahes lihtsas etapis.

Seda on näidatud joonisel 1. Esiteks kasutati DNA fragmentide lahustamiseks vesilahust. Seejärel lisati segalahusele tsüst/AuNP -sid. Normaalsel ja pahaloomulisel DNA-l on erinevad metüülimisomadused, mille tulemuseks on DNA fragmendid, millel on erinevad iseseisev mustrid. Normaalsed DNA agregaadid agregeerivad lõdvalt ja agregeerivad lõpuks tsüsti/AuNP-sid, mille tulemuseks on Cyst/AuNP-de punane nihutatud olemus, nii et palja silmaga saab täheldada värvimuutust punasest lillaks. Seevastu vähktõve DNA ainulaadne metüülimisprofiil viib DNA fragmentide suuremate klastrite tootmiseni.

96-auguliste plaatide pildid tehti nutitelefoni kaamera abil. Vähi DNA-d mõõdeti nutitelefoni abil, mis oli varustatud masinõppega võrreldes spektroskoopiapõhiste meetoditega.

Vähi sõeluuring tõelistes vereproovides

Sensingplatvormi kasulikkuse laiendamiseks rakendasid uurijad andurit, mis eristas edukalt normaalse ja vähkkasvaja DNA -d reaalsetes vereproovides. CPG saitide metüülimismustrid reguleerivad epigeneetiliselt geeni ekspressiooni. Peaaegu kõigis vähitüüpides on täheldatud DNA metüülimise muutusi ja seega ka tuumourigeneesi soodustavate geenide ekspressioonis.

Teiste DNA metüleerimisega seotud vähivormide mudeliks kasutasid teadlased leukeemiahaigete vereproove ja tervete kontrollide, et uurida metüülimismaastiku efektiivsust leukaemiliste vähivormide eristamisel. See metüülimismaastiku biomarker mitte ainult ei edesta olemasolevaid kiireid leukeemia sõeluuringumeetodeid, vaid näitab ka laia valiku vähktõve varajase avastamise võimalust, kasutades seda lihtsat ja arusaadavat analüüsi.

Analüüsiti 31 leukeemiahaige ja 12 terve inimese vereproovide DNA -d. Nagu on näidatud joonisel 2A joonisel 2A, oli vähiproovide (ΔA650/525) suhteline neeldumine madalam kui normaalsete proovide DNA -l. See oli peamiselt tingitud suurenenud hüdrofoobsusest, mis viis vähi DNA tiheda agregatsioonini, mis takistas tsüsti/AuNP -de agregatsiooni. Selle tulemusel hajusid need nanoosakesed täielikult vähi agregaatide välimistes kihtides, mille tulemuseks oli Cyst/AuNP -de erinev hajumine, mida adsorbeeriti normaalsetel ja vähi DNA agregaatidel. Seejärel genereeriti ROC kõverad, muutes läviväärtust minimaalsest väärtusest ΔA650/525 maksimaalse väärtuseni.

Joonis 2. (a) Cyst/AuNPS lahuste suhtelised neeldumisväärtused, mis näitavad normaalse (sinise) ja vähi (punase) DNA olemasolu optimeeritud tingimustes

(DA650/525) kasti proovitükid; (b) ROC analüüs ja diagnostiliste testide hindamine. c) Segadusmaatriks normaalsete ja vähihaigete diagnoosimiseks. (d) Tundlikkus, spetsiifilisus, positiivne ennustav väärtus (PPV), välja töötatud meetodi negatiivne ennustav väärtus (NPV) ja täpsus.

Nagu on näidatud joonisel 2B, näitas ROC kõvera (AUC = 0,9274) alane ala väljatöötatud anduri jaoks saadud pindala kõrge tundlikkust ja spetsiifilisust. Nagu kasti graafikult näha, ei ole normaalset DNA rühma esindav madalaim punkt hästi eraldatud kõrgeimast punktist, mis esindab vähi DNA rühma; Seetõttu kasutati normaalsete ja vähigruppide eristamiseks logistilist regressiooni. Arvestades sõltumatute muutujate komplekti, hindab see sündmuse tõenäosust, näiteks vähk või normaalne rühm. Sõltuv muutuja jääb vahemikku 0 kuni 1. Seetõttu on tulemus tõenäosus. Me määrasime vähi tuvastamise (p) tõenäosuse ΔA650/525 põhjal järgmiselt.

kus B = 5,3533, W1 = -6,965. Proovide klassifitseerimiseks näitab tõenäosus, et alla 0,5, normaalset proovi, samas kui tõenäosus 0,5 või kõrgem näitab vähiproovi. Joonis 2C kujutab segamismaatriksit, mis on genereeritud vasaku-IT-ainult ristvalideerimisest, mida kasutati klassifitseerimismeetodi stabiilsuse valideerimiseks. Joonis 2D võtab kokku meetodi diagnostilise testi hindamise, sealhulgas tundlikkus, spetsiifilisus, positiivne ennustav väärtus (PPV) ja negatiivne ennustav väärtus (NPV).

Nutitelefonipõhised biosensorid

Proovide testimise edasiseks lihtsustamiseks ilma spektrofotomeetrite kasutamata kasutasid teadlased tehisintellekti (AI), et tõlgendada lahuse värvi ja eristada normaalse ja vähkkasvajate vahel. Arvestades seda, kasutati arvutinägemist tsüsti/AuNPS-i värvi värvi tõlkimiseks normaalseks DNA-ks (lillaks) või vähkkasvajateks (punane), kasutades mobiiltelefoni kaamera kaudu tehtud 96-süvendiliste plaatide pilte. Tehisintellekt võib vähendada kulusid ja parandada juurdepääsetavust nanoosakeste lahenduste värvi tõlgendamisel ja ilma optiliste riistvara nutitelefonide lisavarustuseta. Lõpuks koolitati mudeleid ehitamiseks kahte masinõppe mudelit, sealhulgas Random Forest (RF) ja tugivektormasin (SVM). Nii RF kui ka SVM -mudelid klassifitseerisid proovid õigesti positiivsete ja negatiivsete täpsusega 90,0%. See viitab sellele, et tehisintellekti kasutamine mobiiltelefonidel põhinevas biosensatsioonis on täiesti võimalik.

Joonis 3. (a) Proovi valmistamise ajal pildi omandamise etapi jaoks salvestatud lahenduse sihtklass. (b) Näide pildi omandamise ajal tehtud pilt. c) Pildilt (B) ekstraheeritud 96-augulise plaadi igas süvendis tsüsti/AuNPS lahuse värviintensiivsus.

Tsüsti/AuNP -de kasutades on teadlased edukalt välja töötanud lihtsa sensoriplatvormi metüülimismaastiku tuvastamiseks ja anduri, mis on võimeline eristama normaalset DNA -d vähi DNA -st, kui kasutatakse tõelisi vereproove leukeemia sõelumiseks. Välja töötatud andur näitas, et tegelikest vereproovidest ekstraheeritud DNA suutis leukeemiaga patsientidel kiiresti ja kuluefektiivselt tuvastada väikesed vähi DNA (3NM) ja näitas täpsust 95,3%. Proovide testimise veelgi lihtsustamiseks, välistades vajaduse spektrofotomeetri järele, kasutati masinõpet lahuse värvi tõlgendamiseks ja diferentseerumiseks normaalse ja vähkkasvajate vahel mobiiltelefoni foto abil ning täpsus oli võimalik saavutada ka 90,0%-l.

Viide: doi: 10.1039/D2RA05725E