Nutitelefonidega kombineeritud DNA metüülimise testimine kasvajate varaseks sõeluuringuks ja leukeemia sõeluuringuks 90,0% täpsusega!

Vähi varajane avastamine vedela biopsia põhjal on USA riikliku vähiinstituudi viimastel aastatel välja pakutud uus vähi avastamise ja diagnoosimise suund, mille eesmärk on avastada varakult vähki või isegi vähieelseid kahjustusi. Seda on laialdaselt kasutatud uudse biomarkerina mitmesuguste pahaloomuliste kasvajate, sealhulgas kopsuvähi, seedetrakti kasvajate, glioomide ja günekoloogiliste kasvajate varajaseks diagnoosimiseks.

Metülatsioonimaastiku (Methylscape) biomarkerite tuvastamise platvormide tekkimine võib märkimisväärselt parandada olemasolevat varajast vähi sõeluuringut, viies patsiendid kõige varasemasse ravitavasse staadiumisse.

Hiljuti on teadlased välja töötanud lihtsa ja otsese tuvastusplatvormi metülatsioonimaastiku tuvastamiseks, mis põhineb tsüsteamiiniga kaunistatud kulla nanoosakestel (Cyst / AuNP) kombineerituna nutitelefonipõhise biosensoriga, mis võimaldab paljude kasvajate kiiret varajast sõeluuringut. Leukeemia varase sõeluuringu saab teha 15 minuti jooksul pärast DNA ekstraheerimist vereproovist 90,0% täpsusega. Artikli pealkiri on vähi DNA kiire tuvastamine inimveres, kasutades tsüsteamiiniga kaetud AuNP-sid ja masinõppega nutitelefoni.

Joonis 1. Lihtsa ja kiire tuvastusplatvormi vähi sõeluuringuks Cyst/AuNP komponentide kaudu saab teostada kahe lihtsa sammuga.

See on näidatud joonisel 1. Esiteks kasutati DNA fragmentide lahustamiseks vesilahust. Seejärel lisati segatud lahusele tsüst / AuNP-d. Normaalsel ja pahaloomulisel DNA-l on erinevad metüülimisomadused, mille tulemuseks on erineva isekoostumismustriga DNA fragmendid. Normaalne DNA agregeerub lõdvalt ja lõpuks agregeerib Cyst / AuNP-d, mille tulemuseks on tsüsti / AuNP-de punase nihke olemus, nii et palja silmaga saab jälgida värvi muutumist punasest lillaks. Seevastu vähi DNA ainulaadne metüülimisprofiil viib suuremate DNA fragmentide klastrite tekkeni.

96-süvendiliste plaatide pildid tehti nutitelefoni kaameraga. Vähi DNA-d mõõdeti masinõppega varustatud nutitelefoniga võrreldes spektroskoopiapõhiste meetoditega.

Vähi sõeluuring pärisvereproovides

Sensorplatvormi kasulikkuse laiendamiseks kasutasid uurijad andurit, mis eristas päris vereproovides edukalt normaalset ja vähist DNA-d. metüülimismustrid CpG saitidel reguleerivad epigeneetiliselt geeniekspressiooni. Peaaegu kõigi vähitüüpide puhul on täheldatud muutusi DNA metüülimises ja seega kasvaja teket soodustavate geenide ekspressioonis.

Teiste DNA metüülimisega seotud vähkkasvajate mudelina kasutasid teadlased leukeemiapatsientide ja tervete kontrollide vereproove, et uurida metülatsioonimaastiku tõhusust leukeemiliste vähkide eristamisel. See metülatsioonimaastiku biomarker mitte ainult ei ületa olemasolevaid kiireid leukeemia sõeluuringu meetodeid, vaid näitab ka seda, et selle lihtsa ja arusaadava analüüsi abil on võimalik laiendada paljude vähivormide varajase avastamiseni.

Analüüsiti 31 leukeemiahaige ja 12 terve inimese vereproovide DNA-d. nagu on näidatud joonisel fig 2a kujutatud kasti graafikul, oli vähiproovide suhteline neeldumine (ΔA650/525) madalam kui normaalsete proovide DNA oma. see oli peamiselt tingitud suurenenud hüdrofoobsusest, mis viis vähi DNA tiheda agregatsioonini, mis takistas tsüsti / AuNP-de agregatsiooni. Selle tulemusena hajusid need nanoosakesed täielikult vähiagregaatide väliskihtidesse, mille tulemuseks oli normaalsetele ja vähi DNA agregaatidele adsorbeerunud Cyst/AuNP-de erinev dispersioon. Seejärel genereeriti ROC kõverad, muutes läve minimaalsest väärtusest ΔA650/525 maksimaalse väärtuseni.

Joonis 2.(a) Tsüstide/AuNP-de lahuste suhtelised neeldumisväärtused, mis näitavad normaalse (sinine) ja vähi (punane) DNA olemasolu optimeeritud tingimustes

(DA650/525) kastkrundid; b) ROC analüüs ja diagnostiliste testide hindamine. (c) Segadusmaatriks normaalsete ja vähipatsientide diagnoosimiseks. (d) väljatöötatud meetodi tundlikkus, spetsiifilisus, positiivne ennustusväärtus (PPV), negatiivne ennustusväärtus (NPV) ja täpsus.

Nagu on näidatud joonisel 2b, näitas arendatud anduri jaoks saadud ROC kõvera alune pindala (AUC = 0, 9274) suurt tundlikkust ja spetsiifilisust. Nagu kastigraafikult näha, ei ole normaalset DNA rühma esindav madalaim punkt hästi eraldatud vähi DNA rühma esindavast kõrgeimast punktist; seetõttu kasutati normaalsete ja vähirühmade eristamiseks logistilist regressiooni. Sõltumatute muutujate komplekti arvestades hindab see sündmuse, näiteks vähi või normaalse rühma esinemise tõenäosust. Sõltuv muutuja jääb vahemikku 0 kuni 1. Tulemuseks on seega tõenäosus. Määrasime vähi tuvastamise tõenäosuse (P) ΔA650/525 põhjal järgmiselt.

kus b = 5,3533, w1 = -6,965. Proovide klassifitseerimisel näitab tõenäosus, et alla 0,5 on normaalne, samas kui tõenäosus 0,5 või suurem näitab vähiproovi. Joonisel fig 2c on kujutatud segadusmaatriksit, mis on genereeritud üksi jätmise ristvalideerimisel, mida kasutati klassifitseerimismeetodi stabiilsuse kinnitamiseks. Joonisel 2d on kokku võetud meetodi diagnostilise testi hinnang, sealhulgas tundlikkus, spetsiifilisus, positiivne ennustusväärtus (PPV) ja negatiivne ennustusväärtus (NPV).

Nutitelefonipõhised biosensorid

Proovide testimise edasiseks lihtsustamiseks ilma spektrofotomeetreid kasutamata kasutasid teadlased tehisintellekti (AI) lahuse värvi tõlgendamiseks ning normaalsete ja vähihaigete eristamiseks. Arvestades seda, kasutati arvutinägemist Cyst / AuNP-de lahuse värvi muutmiseks normaalseks DNA-ks (lilla) või vähi DNA-ks (punane), kasutades mobiiltelefoni kaamera kaudu tehtud 96-süvendiliste plaatide pilte. Tehisintellekt võib vähendada kulusid ja parandada ligipääsetavust nanoosakeste lahenduste värvide tõlgendamisel ning ilma nutitelefonide optilist riistvaratarvikut kasutamata. Lõpuks koolitati mudelite konstrueerimiseks kahte masinõppemudelit, sealhulgas Random Forest (RF) ja Support Vector Machine (SVM). nii RF- kui ka SVM-mudelid klassifitseerisid proovid õigesti positiivseteks ja negatiivseteks 90,0% täpsusega. See viitab sellele, et tehisintellekti kasutamine mobiiltelefonipõhises biosenseerimises on täiesti võimalik.

Joonis 3.(a) Kujutise saamise etapi proovi ettevalmistamise ajal registreeritud lahuse sihtklass. (b) Näidiskujutis, mis on tehtud kujutise hankimise etapis. (c) Tsüsti / AuNP-de lahuse värviintensiivsus pildilt (b) ekstraheeritud 96-augulise plaadi igas süvendis.

Tsüsti / AuNP-de abil on teadlased edukalt välja töötanud lihtsa anduriplatvormi metülatsioonimaastiku tuvastamiseks ja anduri, mis suudab leukeemia sõeluuringuks tõeliste vereproovide kasutamisel eristada normaalset DNA-d vähi DNA-st. Välja töötatud andur näitas, et päris vereproovidest ekstraheeritud DNA suutis kiiresti ja kulutõhusalt tuvastada leukeemiahaigetel väikeses koguses vähi DNA-d (3nM) 15 minutiga ning näitas 95,3% täpsust. Proovide testimise veelgi lihtsustamiseks, kaotades vajaduse spektrofotomeetri järele, kasutati masinõpet lahuse värvi tõlgendamiseks ja normaalsete ja vähihaigete eristamiseks mobiiltelefoni foto abil, samuti suudeti saavutada 90, 0% täpsust.

Viide: DOI: 10.1039/d2ra05725e