Ittestjar tal-metilazzjoni tad-DNA flimkien ma' smartphones għal skrinjar bikri ta' tumuri u skrinjar tal-lewkimja b'eżattezza ta' 90.0%!

L-iskoperta bikrija tal-kanċer ibbażata fuq bijopsija likwida hija direzzjoni ġdida ta' skoperta u dijanjosi tal-kanċer proposta mill-Istitut Nazzjonali tal-Kanċer tal-Istati Uniti f'dawn l-aħħar snin, bil-għan li jinstab kanċer bikri jew saħansitra leżjonijiet prekanċerużi. Intużat ħafna bħala bijomarkatur ġdid għad-dijanjosi bikrija ta' diversi tumuri malinni, inkluż kanċer tal-pulmun, tumuri gastrointestinali, gliomi u tumuri ġinekoloġiċi.

It-tfaċċar ta' pjattaformi biex jiġu identifikati bijomarkaturi tal-pajsaġġ tal-metilazzjoni (Methylscape) għandu l-potenzjal li jtejjeb b'mod sinifikanti l-iskrinjar bikri eżistenti għall-kanċer, u jpoġġi lill-pazjenti fl-istadju l-aktar bikri li jista' jiġi ttrattat.

Riċentement, ir-riċerkaturi żviluppaw pjattaforma ta' sensing sempliċi u diretta għad-detezzjoni tal-pajsaġġ tal-metilazzjoni bbażata fuq nanopartiċelli tad-deheb imżejna biċ-ċisteamina (Cyst/AuNPs) flimkien ma' bijosensur ibbażat fuq smartphone li jippermetti skrinjar bikri rapidu ta' firxa wiesgħa ta' tumuri. L-iskrinjar bikri għal-lewkimja jista' jsir fi żmien 15-il minuta wara l-estrazzjoni tad-DNA minn kampjun tad-demm, b'eżattezza ta' 90.0%. It-titlu tal-artiklu huwa Detezzjoni rapida tad-DNA tal-kanċer fid-demm tal-bniedem bl-użu ta' AuNPs b'għatu taċ-ċisteamina u smartphone abilitat għat-tagħlim awtomatiku.

Figura 1. Pjattaforma ta' sensing sempliċi u veloċi għall-iskrinjar tal-kanċer permezz ta' komponenti Cyst/AuNPs tista' tinkiseb f'żewġ passi sempliċi.

Dan jidher fil-Figura 1. L-ewwel, intużat soluzzjoni akwea biex tinħall il-frammenti tad-DNA. Imbagħad żdiedu Cyst/AuNPs mas-soluzzjoni mħallta. Id-DNA normali u malinni għandhom proprjetajiet ta' metilazzjoni differenti, li jirriżultaw fi frammenti tad-DNA b'mudelli differenti ta' awtoassemblaġġ. Id-DNA normali jaggrega b'mod laxk u eventwalment jaggrega Cyst/AuNPs, li jirriżulta fin-natura red-shifted ta' Cyst/AuNPs, sabiex bidla fil-kulur minn aħmar għal vjola tkun tista' tiġi osservata bl-għajn. B'kuntrast, il-profil uniku tal-metilazzjoni tad-DNA tal-kanċer iwassal għall-produzzjoni ta' gruppi akbar ta' frammenti tad-DNA.

Ittieħdu immaġnijiet ta' pjanċi ta' 96-well bl-użu ta' kamera ta' smartphone. Id-DNA tal-kanċer tkejjel permezz ta' smartphone mgħammar b'tagħlim awtomatiku meta mqabbel ma' metodi bbażati fuq l-ispettroskopija.

Skrining tal-kanċer f'kampjuni tad-demm reali

Biex jestendu l-utilità tal-pjattaforma tas-sensing, l-investigaturi applikaw sensur li jiddistingwi b'suċċess bejn DNA normali u kanċeruż f'kampjuni tad-demm reali. Ix-xejriet tal-metilazzjoni fis-siti CpG jirregolaw epiġenetikament l-espressjoni tal-ġeni. Fi kważi t-tipi kollha ta' kanċer, ġie osservat li l-bidliet fil-metilazzjoni tad-DNA u għalhekk fl-espressjoni tal-ġeni li jippromwovu t-tumoriġenesi jalternaw.

Bħala mudell għal kanċers oħra assoċjati mal-metilazzjoni tad-DNA, ir-riċerkaturi użaw kampjuni tad-demm minn pazjenti bil-lewkimja u kontrolli b'saħħithom biex jinvestigaw l-effettività tal-pajsaġġ tal-metilazzjoni fid-differenzjazzjoni tal-kanċers lewkemiċi. Dan il-bijomarkatur tal-pajsaġġ tal-metilazzjoni mhux biss jegħleb il-metodi eżistenti ta' skrinjar rapidu tal-lewkimja, iżda juri wkoll il-fattibbiltà li jiġi estiż għal skoperta bikrija ta' firxa wiesgħa ta' kanċers bl-użu ta' dan l-assaġġ sempliċi u dirett.

Ġiet analizzata d-DNA minn kampjuni tad-demm minn 31 pazjent bil-lewkimja u 12-il individwu b'saħħtu. Kif muri fil-plott tal-kaxxa fil-Figura 2a, l-assorbenza relattiva tal-kampjuni tal-kanċer (ΔA650/525) kienet aktar baxxa minn dik tad-DNA minn kampjuni normali. Dan kien prinċipalment minħabba l-idrofobiċità msaħħa li wasslet għal aggregazzjoni densa tad-DNA tal-kanċer, li ppreveniet l-aggregazzjoni ta' Cyst/AuNPs. B'riżultat ta' dan, dawn in-nanopartiċelli ġew imxerrda kompletament fis-saffi ta' barra tal-aggregati tal-kanċer, li rriżulta fi tixrid differenti ta' Cyst/AuNPs assorbiti fuq aggregati tad-DNA normali u tal-kanċer. Il-kurvi ROC imbagħad ġew iġġenerati billi ġie varjat il-limitu minn valur minimu ta' ΔA650/525 għal valur massimu.

Figura 2.(a) Valuri ta' assorbenza relattiva ta' soluzzjonijiet ta' ċisti/AuNPs li juru l-preżenza ta' DNA normali (blu) u kanċeruż (aħmar) taħt kundizzjonijiet ottimizzati

(DA650/525) ta' box plots; (b) Analiżi ROC u evalwazzjoni ta' testijiet dijanjostiċi. (ċ) Matriċi ta' konfużjoni għad-dijanjosi ta' pazjenti normali u bil-kanċer. (d) Sensittività, speċifiċità, valur predittiv pożittiv (PPV), valur predittiv negattiv (NPV) u preċiżjoni tal-metodu żviluppat.

Kif muri fil-Figura 2b, l-erja taħt il-kurva ROC (AUC = 0.9274) miksuba għas-senser żviluppat uriet sensittività u speċifiċità għolja. Kif jidher mill-plott tal-kaxxa, l-aktar punt baxx li jirrappreżenta l-grupp tad-DNA normali mhuwiex separat sew mill-ogħla punt li jirrappreżenta l-grupp tad-DNA tal-kanċer; għalhekk, intużat rigressjoni loġistika biex tiddistingwi bejn il-gruppi normali u dawk tal-kanċer. Mogħti sett ta' varjabbli indipendenti, din tistma l-probabbiltà li jseħħ avveniment, bħal grupp ta' kanċer jew normali. Il-varjabbli dipendenti tvarja bejn 0 u 1. Għalhekk ir-riżultat huwa probabbiltà. Iddeterminajna l-probabbiltà ta' identifikazzjoni tal-kanċer (P) ibbażata fuq ΔA650/525 kif ġej.

fejn b=5.3533,w1=-6.965. Għall-klassifikazzjoni tal-kampjuni, probabbiltà ta' inqas minn 0.5 tindika kampjun normali, filwaqt li probabbiltà ta' 0.5 jew ogħla tindika kampjun tal-kanċer. Il-Figura 2c turi l-matriċi ta' konfużjoni ġġenerata mill-validazzjoni inkroċjata "leave-it-alone", li ntużat biex tivvalida l-istabbiltà tal-metodu ta' klassifikazzjoni. Il-Figura 2d tiġbor fil-qosor l-evalwazzjoni tat-test dijanjostiku tal-metodu, inklużi s-sensittività, l-ispeċifiċità, il-valur predittiv pożittiv (PPV) u l-valur predittiv negattiv (NPV).

Bijosensuri bbażati fuq smartphones

Biex jissimplifikaw aktar l-ittestjar tal-kampjuni mingħajr l-użu ta' spettrofotometri, ir-riċerkaturi użaw l-intelliġenza artifiċjali (AI) biex jinterpretaw il-kulur tas-soluzzjoni u jiddistingwu bejn individwi normali u kanċerużi. Minħabba dan, il-viżjoni tal-kompjuter intużat biex tittraduċi l-kulur tas-soluzzjoni Cyst/AuNPs f'DNA normali (vjola) jew DNA kanċeruż (aħmar) bl-użu ta' immaġini ta' pjanċi ta' 96-well meħuda permezz ta' kamera tat-telefon ċellulari. L-intelliġenza artifiċjali tista' tnaqqas l-ispejjeż u ttejjeb l-aċċessibbiltà fl-interpretazzjoni tal-kulur tas-soluzzjonijiet tan-nanopartiċelli, u mingħajr l-użu ta' xi aċċessorji ta' ħardwer ottiku għall-ismartphone. Fl-aħħar nett, żewġ mudelli ta' tagħlim awtomatiku, inklużi Random Forest (RF) u Support Vector Machine (SVM) ġew imħarrġa biex jibnu l-mudelli. Kemm il-mudelli RF kif ukoll dawk SVM ikklassifikaw b'mod korrett il-kampjuni bħala pożittivi u negattivi b'eżattezza ta' 90.0%. Dan jissuġġerixxi li l-użu tal-intelliġenza artifiċjali fil-bijosensing ibbażat fuq it-telefon ċellulari huwa pjuttost possibbli.

Figura 3.(a) Klassi fil-mira tas-soluzzjoni rreġistrata matul il-preparazzjoni tal-kampjun għall-pass tal-akkwist tal-immaġni. (b) Eżempju ta' immaġni meħuda matul il-pass tal-akkwist tal-immaġni. (ċ) Intensità tal-kulur tas-soluzzjoni taċ-ċisti/AuNPs f'kull bir tal-pjanċa ta' 96 bir estratta mill-immaġni (b).

Bl-użu ta' Cyst/AuNPs, ir-riċerkaturi żviluppaw b'suċċess pjattaforma sempliċi ta' sensing għall-iskoperta tal-pajsaġġ tal-metilazzjoni u sensur kapaċi jiddistingwi d-DNA normali mid-DNA tal-kanċer meta jużaw kampjuni tad-demm reali għall-iskrinjar tal-lewkimja. Is-senser żviluppat wera li d-DNA estratt minn kampjuni tad-demm reali kien kapaċi jiskopri malajr u b'mod kosteffettiv ammonti żgħar ta' DNA tal-kanċer (3nM) f'pazjenti bil-lewkimja fi 15-il minuta, u wera preċiżjoni ta' 95.3%. Biex l-ittestjar tal-kampjuni jiġi ssimplifikat aktar billi tiġi eliminata l-ħtieġa għal spettrofotometru, intuża t-tagħlim awtomatiku biex jiġi interpretat il-kulur tas-soluzzjoni u jiġi differenzjat bejn individwi normali u kanċerużi bl-użu ta' ritratt bit-telefon ċellulari, u l-preċiżjoni setgħet tinkiseb ukoll ta' 90.0%.

Referenza: DOI: 10.1039/d2ra05725e