DNA-Methylierungstest a Kombinatioun mat Smartphones fir fréizäiteg Opspuere vun Tumoren a Leukämie-Opspuere mat enger Genauegkeet vun 90,0%!

Déi fréizäiteg Detektioun vu Kriibs baséiert op flësseger Biopsie ass eng nei Richtung vun der Kriibsdetektioun an -diagnos, déi vum US National Cancer Institute an de leschte Jore proposéiert gouf, mat dem Zil, fréi Kriibs oder souguer präkanzeréis Läsionen z'entdecken. Et gouf wäit verbreet als neie Biomarker fir déi fréi Diagnos vu verschiddene bösartigen Tumoren, dorënner Lungenkriibs, Magen-Darm-Tumoren, Gliomen a gynäkologesch Tumoren, benotzt.

D'Entstoe vu Plattforme fir d'Identifikatioun vu Methylierungslandschafts-Biomarker (Methylscape) huet de Potenzial, déi existent fréi Screening op Kriibs däitlech ze verbesseren, sou datt d'Patienten an dat fréist behandelbart Stadium kommen.

Rezent hunn d'Fuerscher eng einfach an direkt Sensorplattform fir d'Detektioun vu Methylierungslandschaften entwéckelt, baséiert op Cysteamin-dekoréierte Gold-Nanopartikelen (Cyst/AuNPs) a Kombinatioun mat engem Smartphone-baséierte Biosensor, deen e séieren, fréien Screening vun enger breeder Palette vun Tumoren erméiglecht. E fréien Screening op Leukämie kann bannent 15 Minutte no der DNA-Extraktioun aus enger Bluttprouf mat enger Genauegkeet vun 90,0% duerchgefouert ginn. Den Artikeltitel ass "Rapid Detection of Cancer DNA in human blood using Cysteamin-capped AuNPs and a machine learning-enabled Smartphone".

Figur 1. Eng einfach a séier Detektiounsplattform fir Kriibsscreening iwwer Cyst/AuNPs-Komponenten kann an zwéi einfache Schrëtt realiséiert ginn.

Dëst ass an der Figur 1 gewisen. Fir d'éischt gouf eng wässereg Léisung benotzt fir d'DNA-Fragmenter opzeléisen. Cyst/AuNPs goufen dann an déi gemëscht Léisung bäigefüügt. Normal an malign DNA hunn ënnerschiddlech Methylierungseigenschaften, wat zu DNA-Fragmenter mat ënnerschiddleche Selbstassemblagemuster féiert. Normal DNA aggregéiert locker an aggregéiert schliisslech Cyst/AuNPs, wat zu der routverréckelter Natur vun Cyst/AuNPs féiert, sou datt eng Faarfännerung vu rout op violett mat bloussem A observéiert ka ginn. Am Géigesaz dozou féiert dat eenzegaartegt Methylierungsprofil vun der Kriibs-DNA zu der Produktioun vu gréissere Cluster vun DNA-Fragmenter.

Biller vu 96-Well-Platten goufen mat enger Smartphonekamera gemaach. Kriibs-DNA gouf mat engem Smartphone mat maschinellem Léieren am Verglach mat spektroskopiebaséierte Methoden gemooss.

Kriibsscreening a richtege Bluttproben

Fir d'Nëtzlechkeet vun der Sensorplattform ze vergréisseren, hunn d'Fuerscher e Sensor agesat, deen erfollegräich tëscht normaler an kriibserreeger DNA a richtege Bluttproben ënnerscheet huet. Methylierungsmuster op CpG-Plazen reguléieren d'Genexpression epigenetesch. Bei bal all Kriibsarten goufen ofwiesselnd Verännerungen an der DNA-Methylierung an domat an der Expression vu Genen, déi d'Tumorgenese förderen, observéiert.

Als Modell fir aner Kriibsarten, déi mat DNA-Methylierung a Verbindung bruecht ginn, hunn d'Fuerscher Bluttproben vu Leukämiepatienten a gesonde Kontrollpersounen benotzt, fir d'Effektivitéit vun der Methylierungslandschaft bei der Differenzéierung vu leukemesche Kriibsarten z'ënnersichen. Dëse Methylierungslandschaftsbiomarker iwwertrëfft net nëmmen déi existent Schnellleukämie-Screeningmethoden, mä weist och d'Machbarkeet, mat dësem einfache an onkomplizéierte Test op eng fréi Detektioun vun enger breeder Palette vu Kriibsarten auszebauen.

DNA aus Bluttproben vun 31 Leukämiepatienten an 12 gesonde Persoune gouf analyséiert. Wéi am Boxplot an der Figur 2a gewisen, war déi relativ Absorbanz vun de Kriibsproben (ΔA650/525) méi niddreg wéi déi vun der DNA aus normale Proben. Dëst war haaptsächlech wéinst der erhéichter Hydrophobizitéit, déi zu enger dichter Aggregatioun vun der Kriibs-DNA gefouert huet, wat d'Aggregatioun vu Cyst/AuNPs verhënnert huet. Als Resultat waren dës Nanopartikel komplett an de baussenzege Schichten vun de Kriibsaggregaten dispergéiert, wat zu enger anerer Dispersioun vun Cyst/AuNPs gefouert huet, déi op normalen an Kriibs-DNA-Aggregaten adsorbéiert goufen. ROC-Kurven goufen dann generéiert andeems de Schwellwäert vun engem Mindestwäert vun ΔA650/525 bis zu engem Maximumwäert variéiert gouf.

Figur 2.(a) Relativ Absorptiounswäerter vu Zysten/AuNPs-Léisungen, déi d'Präsenz vun normaler (blo) an Kriibs- (rout) DNA ënner optiméierte Konditioune weisen.

(DA650/525) vu Boxplots; (b) ROC-Analyse an Evaluatioun vun diagnosteschen Tester. (c) Verwirrungsmatrix fir d'Diagnos vun normale Patienten a Kriibspatienten. (d) Sensibilitéit, Spezifizitéit, positiven Prädiktivwäert (PPV), negativen Prädiktivwäert (NPV) a Genauegkeet vun der entwéckelter Method.

Wéi an der Figur 2b gewisen, huet d'Fläch ënner der ROC-Kurve (AUC = 0,9274), déi fir den entwéckelte Sensor kritt gouf, eng héich Sensibilitéit a Spezifizitéit gewisen. Wéi um Boxplot ze gesinn ass, ass den niddregsten Punkt, deen déi normal DNA-Grupp representéiert, net gutt vum héchste Punkt getrennt, deen d'Kriibs-DNA-Grupp representéiert; dofir gouf eng logistesch Regressioun benotzt fir tëscht der normaler an der Kriibsgrupp z'ënnerscheeden. Mat enger Rei vun onofhängege Variablen schätzt se d'Wahrscheinlechkeet vun engem Evenement, wéi zum Beispill enger Kriibs- oder enger normaler Grupp. Déi ofhängeg Variabel läit tëscht 0 an 1. D'Resultat ass dofir eng Wahrscheinlechkeet. Mir hunn d'Wahrscheinlechkeet vun der Kriibsidentifikatioun (P) baséiert op ΔA650/525 wéi follegt bestëmmt.

wou b=5,3533,w1=-6,965. Fir d'Klassifikatioun vun der Prouf weist eng Wahrscheinlechkeet vu manner wéi 0,5 eng normal Prouf un, während eng Wahrscheinlechkeet vun 0,5 oder méi héich eng Kriibsprouf ugeet. Figur 2c weist d'Verwirrungsmatrix, déi aus der "Leave-it-alone"-Kräizvalidéierung generéiert gouf, déi benotzt gouf fir d'Stabilitéit vun der Klassifikatiounsmethod ze validéieren. Figur 2d resüméiert d'Evaluatioun vun der Method duerch diagnostesch Tester, inklusiv Sensibilitéit, Spezifizitéit, positiven prädiktive Wäert (PPV) an negativen prädiktive Wäert (NPV).

Smartphone-baséiert Biosensoren

Fir d'Proufentester weider ze vereinfachen ouni Spektrophotometer, hunn d'Fuerscher kënschtlech Intelligenz (KI) benotzt fir d'Faarf vun der Léisung z'interpretéieren an tëscht normalen a kriibserreegende Persounen z'ënnerscheeden. Dofir gouf Computervisioun benotzt fir d'Faarf vun der Cyst/AuNPs-Léisung an normal DNA (violett) oder kriibserreegend DNA (rout) ze iwwersetzen andeems Biller vu 96-Lächerplacken, déi mat enger Handykamera opgeholl goufen, benotzt goufen. Kënschtlech Intelligenz kann d'Käschte reduzéieren an d'Zougänglechkeet bei der Interpretatioun vun der Faarf vun Nanopartikelléisungen verbesseren, an dat ouni d'Benotzung vun opteschen Hardware-Smartphone-Accessoiren. Schlussendlech goufen zwee maschinellt Léiermodeller, dorënner Random Forest (RF) a Support Vector Machine (SVM), trainéiert fir d'Modeller ze konstruéieren. Souwuel d'RF- wéi och d'SVM-Modeller hunn d'Prouwe korrekt als positiv an negativ mat enger Genauegkeet vun 90,0% klasséiert. Dëst weist drop hin, datt d'Benotzung vun kënschtlecher Intelligenz an der Handy-baséierter Biosensing duerchaus méiglech ass.

Figur 3.(a) Zilklass vun der Léisung, déi während der Virbereedung vun der Prouf fir de Schrëtt vun der Bildaufnahme opgeholl gouf. (b) Beispillbild, dat während dem Schrëtt vun der Bildaufnahme opgeholl gouf. (c) Faarfintensitéit vun der Zyst/AuNPs-Léisung an all Lach vun der 96-Lach-Plack, déi aus dem Bild (b) extrahéiert gouf.

Mat Hëllef vu Cyst/AuNPs hunn d'Fuerscher erfollegräich eng einfach Sensorplattform fir d'Detektioun vu Methylierungslandschaften an e Sensor entwéckelt, deen normal DNA vun Kriibs-DNA ënnerschee kann, wa richteg Bluttproben fir Leukämie-Screening benotzt ginn. Deen entwéckelte Sensor huet gewisen, datt DNA, déi aus richtege Bluttproben extrahéiert gouf, fäeg war, kleng Quantitéiten u Kriibs-DNA (3nM) bei Leukämiepatienten an 15 Minutten séier a kosteneffektiv z'entdecken, an eng Genauegkeet vun 95,3% gewisen huet. Fir d'Prouwetestung weider ze vereinfachen, andeems de Besoin fir e Spektrophotometer eliminéiert gouf, gouf maschinellt Léieren benotzt fir d'Faarf vun der Léisung z'interpretéieren an tëscht normalen a kriibserreegende Persounen mat Hëllef vun engem Handyfoto z'ënnerscheeden, an d'Genauegkeet konnt och vun 90,0% erreecht ginn.

Referenz: DOI: 10.1039/d2ra05725e