Profi methyliad DNA ynghyd â ffonau clyfar ar gyfer sgrinio tiwmorau a sgrinio lewcemia yn gynnar gyda chywirdeb o 90.0%!

Mae canfod canser yn gynnar yn seiliedig ar fiopsi hylif yn gyfeiriad newydd o ganfod a diagnosio canser a gynigiwyd gan Sefydliad Canser Cenedlaethol yr Unol Daleithiau yn ystod y blynyddoedd diwethaf, gyda'r nod o ganfod canser yn gynnar neu hyd yn oed briwiau cyn-ganser. Fe'i defnyddiwyd yn helaeth fel biomarciwr newydd ar gyfer diagnosis cynnar o wahanol falaeneddau, gan gynnwys canser yr ysgyfaint, tiwmorau gastroberfeddol, gliomas a thiwmorau gynaecolegol.

Mae gan ymddangosiad llwyfannau i nodi biomarcwyr tirwedd methyliad (Methylscape) y potensial i wella'r sgrinio cynnar presennol ar gyfer canser yn sylweddol, gan roi cleifion yn y cam cynharaf y gellir ei drin.

Yn ddiweddar, mae ymchwilwyr wedi datblygu platfform synhwyro syml ac uniongyrchol ar gyfer canfod tirwedd methyliad yn seiliedig ar nanoronynnau aur wedi'u haddurno â cysteamin (Cyst/AuNPs) ynghyd â biosynhwyrydd sy'n seiliedig ar ffôn clyfar sy'n galluogi sgrinio cynnar cyflym ar ystod eang o diwmorau. Gellir cynnal sgrinio cynnar ar gyfer lewcemia o fewn 15 munud ar ôl echdynnu DNA o sampl gwaed, gyda chywirdeb o 90.0%. Teitl yr erthygl yw Canfod cyflym DNA canser mewn gwaed dynol gan ddefnyddio AuNPs wedi'u capio â cysteamin a ffôn clyfar sy'n galluogi dysgu peirianyddol.

Ffigur 1. Gellir cyflawni platfform synhwyro syml a chyflym ar gyfer sgrinio canser trwy gydrannau Cyst/AuNPs mewn dau gam syml.

Dangosir hyn yn Ffigur 1. Yn gyntaf, defnyddiwyd toddiant dyfrllyd i doddi'r darnau DNA. Yna ychwanegwyd Cyst/AuNPs at y toddiant cymysg. Mae gan DNA normal a malaen briodweddau methyliad gwahanol, gan arwain at ddarnau DNA â phatrymau hunan-ymgynnull gwahanol. Mae DNA normal yn agregu'n llac ac yn y pen draw yn agregu Cyst/AuNPs, sy'n arwain at natur goch-sifftiedig Cyst/AuNPs, fel y gellir gweld newid lliw o goch i borffor gyda'r llygad noeth. Mewn cyferbyniad, mae proffil methyliad unigryw DNA canser yn arwain at gynhyrchu clystyrau mwy o ddarnau DNA.

Tynnwyd delweddau o blatiau 96-ffynnon gan ddefnyddio camera ffôn clyfar. Mesurwyd DNA canser gan ffôn clyfar a oedd â dysgu peirianyddol o'i gymharu â dulliau seiliedig ar sbectrosgopeg.

Sgrinio canser mewn samplau gwaed go iawn

Er mwyn ymestyn defnyddioldeb y platfform synhwyro, defnyddiodd yr ymchwilwyr synhwyrydd a wahaniaethodd yn llwyddiannus rhwng DNA normal a chanseraidd mewn samplau gwaed go iawn. Mae patrymau methyliad mewn safleoedd CpG yn rheoleiddio mynegiant genynnau yn epigenetig. Ym mron pob math o ganser, mae newidiadau mewn methyliad DNA ac felly yn mynegiant genynnau sy'n hyrwyddo tiwmorgenesis wedi'u harsylwi'n newid.

Fel model ar gyfer canserau eraill sy'n gysylltiedig â methyliad DNA, defnyddiodd yr ymchwilwyr samplau gwaed gan gleifion lewcemia a rheolyddion iach i ymchwilio i effeithiolrwydd y dirwedd methyliad wrth wahaniaethu canserau lewcemia. Nid yn unig y mae'r biomarciwr tirwedd methyliad hwn yn perfformio'n well na'r dulliau sgrinio lewcemia cyflym presennol, ond mae hefyd yn dangos ymarferoldeb ymestyn i ganfod yn gynnar ystod eang o ganserau gan ddefnyddio'r assay syml a uniongyrchol hwn.

Dadansoddwyd DNA o samplau gwaed gan 31 o gleifion lewcemia a 12 o unigolion iach. Fel y dangosir yn y plot bocs yn Ffigur 2a, roedd amsugnedd cymharol y samplau canser (ΔA650/525) yn is nag amsugnedd DNA o samplau normal. Roedd hyn yn bennaf oherwydd yr hydroffobigedd gwell a arweiniodd at agregu trwchus o DNA canser, a ataliodd agregu Cyst/AuNPs. O ganlyniad, gwasgarwyd y nanoronynnau hyn yn llwyr yn haenau allanol yr agregau canser, a arweiniodd at wasgariad gwahanol o Cyst/AuNPs wedi'u hamsugno ar agregau DNA normal a chanser. Yna cynhyrchwyd cromliniau ROC trwy amrywio'r trothwy o werth lleiaf o ΔA650/525 i werth uchaf.

Ffigur 2.(a) Gwerthoedd amsugnedd cymharol toddiannau cyst/AuNPs yn dangos presenoldeb DNA normal (glas) a chanser (coch) o dan amodau wedi'u optimeiddio

(DA650/525) o blotiau bocs; (b) Dadansoddiad ROC a gwerthusiad o brofion diagnostig. (c) Matrics dryswch ar gyfer diagnosio cleifion normal a chanser. (d) Sensitifrwydd, penodolrwydd, gwerth rhagfynegol positif (PPV), gwerth rhagfynegol negatif (NPV) a chywirdeb y dull a ddatblygwyd.

Fel y dangosir yn Ffigur 2b, dangosodd yr arwynebedd o dan y gromlin ROC (AUC = 0.9274) a gafwyd ar gyfer y synhwyrydd a ddatblygwyd sensitifrwydd a manylder uchel. Fel y gwelir o'r plot blwch, nid yw'r pwynt isaf sy'n cynrychioli'r grŵp DNA normal wedi'i wahanu'n dda oddi wrth y pwynt uchaf sy'n cynrychioli'r grŵp DNA canser; felly, defnyddiwyd atchweliad logistaidd i wahaniaethu rhwng y grwpiau normal a chanser. O ystyried set o newidynnau annibynnol, mae'n amcangyfrif y tebygolrwydd y bydd digwyddiad yn digwydd, fel canser neu grŵp normal. Mae'r newidyn dibynnol yn amrywio rhwng 0 ac 1. Felly, y canlyniad yw tebygolrwydd. Penderfynwyd ar y tebygolrwydd o adnabod canser (P) yn seiliedig ar ΔA650/525 fel a ganlyn.

lle mae b=5.3533,w1=-6.965. Ar gyfer dosbarthu sampl, mae tebygolrwydd o lai na 0.5 yn dynodi sampl normal, tra bod tebygolrwydd o 0.5 neu uwch yn dynodi sampl canser. Mae Ffigur 2c yn darlunio'r matrics dryswch a gynhyrchwyd o'r groes-ddilysu 'gadael ar ei ben ei hun', a ddefnyddiwyd i ddilysu sefydlogrwydd y dull dosbarthu. Mae Ffigur 2d yn crynhoi'r gwerthusiad prawf diagnostig o'r dull, gan gynnwys sensitifrwydd, penodolrwydd, gwerth rhagfynegol positif (PPV) a gwerth rhagfynegol negyddol (NPV).

Biosynwyryddion sy'n seiliedig ar ffonau clyfar

Er mwyn symleiddio profi samplau ymhellach heb ddefnyddio sbectroffotometrau, defnyddiodd yr ymchwilwyr ddeallusrwydd artiffisial (AI) i ddehongli lliw'r toddiant a gwahaniaethu rhwng unigolion normal a chanseraidd. O ystyried hyn, defnyddiwyd gweledigaeth gyfrifiadurol i gyfieithu lliw'r toddiant Cyst/AuNPs yn DNA normal (porffor) neu DNA canseraidd (coch) gan ddefnyddio delweddau o blatiau 96-ffynnon a gymerwyd trwy gamera ffôn symudol. Gall deallusrwydd artiffisial leihau costau a gwella hygyrchedd wrth ddehongli lliw toddiannau nanoronynnau, a heb ddefnyddio unrhyw ategolion caledwedd optegol ar gyfer ffôn clyfar. Yn olaf, hyfforddwyd dau fodel dysgu peirianyddol, gan gynnwys Random Forest (RF) a Support Vector Machine (SVM), i adeiladu'r modelau. Dosbarthodd y modelau RF ac SVM y samplau'n gywir fel rhai positif a negatif gyda chywirdeb o 90.0%. Mae hyn yn awgrymu bod defnyddio deallusrwydd artiffisial mewn biosynhwyro sy'n seiliedig ar ffonau symudol yn eithaf posibl.

Ffigur 3.(a) Dosbarth targed y toddiant a gofnodwyd yn ystod paratoi'r sampl ar gyfer y cam caffael delwedd. (b) Delwedd enghreifftiol a gymerwyd yn ystod y cam caffael delwedd. (c) Dwyster lliw y toddiant cyst/AuNPs ym mhob ffynnon o'r plât 96-ffynnon a dynnwyd o'r ddelwedd (b).

Gan ddefnyddio Cyst/AuNPs, mae ymchwilwyr wedi llwyddo i ddatblygu platfform synhwyro syml ar gyfer canfod tirwedd methyliad a synhwyrydd sy'n gallu gwahaniaethu rhwng DNA normal a DNA canser wrth ddefnyddio samplau gwaed go iawn ar gyfer sgrinio lewcemia. Dangosodd y synhwyrydd a ddatblygwyd fod DNA a dynnwyd o samplau gwaed go iawn yn gallu canfod symiau bach o DNA canser (3nM) yn gyflym ac yn gost-effeithiol mewn cleifion lewcemia mewn 15 munud, a dangosodd gywirdeb o 95.3%. I symleiddio profi samplau ymhellach trwy ddileu'r angen am sbectroffotomedr, defnyddiwyd dysgu peirianyddol i ddehongli lliw'r toddiant a gwahaniaethu rhwng unigolion normal a chanseraidd gan ddefnyddio llun ffôn symudol, a llwyddwyd hefyd i gyflawni cywirdeb o 90.0%.

Cyfeirnod: DOI: 10.1039/d2ra05725e