Profi methylation DNA wedi'i gyfuno â ffonau smart 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 diagnosis canser a gynigiwyd gan Sefydliad Canser Cenedlaethol yr Unol Daleithiau yn ystod y blynyddoedd diwethaf, gyda'r nod o ganfod canser cynnar neu hyd yn oed briwiau cyn-ganseraidd. Fe'i defnyddiwyd yn helaeth fel biofarciwr newydd ar gyfer diagnosis cynnar o falaeneddau amrywiol, gan gynnwys canser yr ysgyfaint, tiwmorau gastroberfeddol, glomas a thiwmorau gynaecolegol.

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

Yn ddiweddar, mae ymchwilwyr wedi datblygu llwyfan synhwyro syml ac uniongyrchol ar gyfer canfod tirwedd methylation yn seiliedig ar nanoronynnau aur addurnedig cysteamine (Cyst / AuNPs) ynghyd â biosynhwyrydd ffôn clyfar sy'n galluogi sgrinio cynnar cyflym o ystod eang o diwmorau. Gellir cyflawni 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 DNA canser yn gyflym mewn gwaed dynol gan ddefnyddio AuNPs â chap cystein a ffôn clyfar wedi'i alluogi gan beiriant.

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

Dangosir hyn yn Ffigur 1. Yn gyntaf, defnyddiwyd hydoddiant dyfrllyd i hydoddi'r darnau DNA. Yna ychwanegwyd Cyst/AuNPs at yr ateb cymysg. Mae gan DNA normal a malaen wahanol briodweddau methylation, gan arwain at ddarnau DNA gyda gwahanol batrymau hunangynnull. Mae DNA normal yn agregu'n llac ac yn y pen draw yn agregu Cyst/AuNPs, sy'n arwain at natur symud coch Cyst/AuNPs, fel y gellir gweld newid mewn lliw o goch i borffor gyda'r llygad noeth. Mewn cyferbyniad, mae proffil methylation 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 yn cynnwys dysgu peirianyddol o gymharu â dulliau seiliedig ar sbectrosgopeg.

Sgrinio canser mewn samplau gwaed go iawn

Er mwyn ehangu defnyddioldeb y llwyfan synhwyro, cymhwysodd yr ymchwilwyr synhwyrydd a oedd yn gwahaniaethu'n llwyddiannus rhwng DNA normal a chanseraidd mewn samplau gwaed go iawn. Mae patrymau methylation ar safleoedd CpG yn rheoleiddio mynegiant genynnau yn epigenetig. Ym mron pob math o ganser, gwelwyd bod newidiadau mewn methylation DNA ac felly yn y mynegiant o enynnau sy'n hyrwyddo tumorigenesis bob yn ail.

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

Dadansoddwyd DNA o samplau gwaed 31 o gleifion lewcemia a 12 o unigolion iach. fel y dangosir yn y plot blwch yn Ffigur 2a, roedd amsugnedd cymharol y samplau canser (ΔA650/525) yn is na DNA o samplau arferol. roedd hyn yn bennaf oherwydd y hydroffobigedd gwell a arweiniodd at agregu dwys o DNA canser, a rwystrodd Cyst/AuNPs rhag agregu. O ganlyniad, gwasgarwyd y nanoronynnau hyn yn gyfan gwbl yn haenau allanol yr agregau canser, a arweiniodd at wasgariad gwahanol o Cyst/AuNPs wedi'i arsugnu ar agregau DNA normal a chanser. Yna cynhyrchwyd cromliniau ROC trwy amrywio'r trothwy o isafswm gwerth ΔA650/525 i uchafswm gwerth.

Ffigur 2.(a) Gwerthoedd amsugnedd cymharol hydoddiannau codennau/AuNPs yn dangos presenoldeb DNA normal (glas) a chanser (coch) o dan amodau optimaidd

(DA650/525) o leiniau blwch; (b) ROC dadansoddi a gwerthuso profion diagnostig. (c) Matrics dryswch ar gyfer diagnosis cleifion normal a chanser. (d) Sensitifrwydd, penodoldeb, gwerth rhagfynegol positif (PPV), gwerth rhagfynegol negyddol (NPV) a chywirdeb y dull datblygedig.

Fel y dangosir yn Ffigur 2b, roedd yr ardal o dan y gromlin ROC (AUC = 0.9274) a gafwyd ar gyfer y synhwyrydd datblygedig yn dangos sensitifrwydd a phenodoldeb uchel. Fel y gwelir o'r plot blwch, nid yw'r pwynt isaf sy'n cynrychioli'r grŵp DNA arferol 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. Mae'r canlyniad felly yn debygolrwydd. Fe wnaethom benderfynu ar y tebygolrwydd o adnabod canser (P) yn seiliedig ar ΔA650/525 fel a ganlyn.

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

Biosynhwyryddion ffôn clyfar

Er mwyn symleiddio profion sampl ymhellach heb ddefnyddio sbectroffotomedrau, defnyddiodd yr ymchwilwyr ddeallusrwydd artiffisial (AI) i ddehongli lliw yr hydoddiant a gwahaniaethu rhwng unigolion normal a chanseraidd. O ystyried hyn, defnyddiwyd gweledigaeth gyfrifiadurol i drosi lliw datrysiad Cyst/AuNPs i DNA normal (porffor) neu DNA canseraidd (coch) gan ddefnyddio delweddau o blatiau 96-ffynnon a dynnwyd trwy gamera ffôn symudol. Gall deallusrwydd artiffisial leihau costau a gwella hygyrchedd wrth ddehongli lliw datrysiadau nanoronynnau, a heb ddefnyddio unrhyw ategolion ffôn clyfar caledwedd optegol. 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 a SVM y samplau yn gywir fel rhai positif a negyddol gyda chywirdeb o 90.0%. Mae hyn yn awgrymu bod defnyddio deallusrwydd artiffisial mewn biosynhwyro ar sail ffôn symudol yn eithaf posibl.

Ffigur 3.(a) Dosbarth targed yr ateb a gofnodwyd wrth baratoi'r sampl ar gyfer y cam caffael delwedd. (b) Delwedd enghreifftiol a dynnwyd yn ystod y cam caffael delwedd. (c) Arddwysedd lliw'r syst/hydoddiant AuNPs ym mhob ffynnon o'r plât 96-ffynnon a echdynnwyd o'r ddelwedd (b).

Gan ddefnyddio Cyst/AuNPs, mae ymchwilwyr wedi llwyddo i ddatblygu llwyfan synhwyro syml ar gyfer canfod tirwedd methylation 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 datblygedig fod DNA a echdynnwyd 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%. Er mwyn symleiddio profion sampl ymhellach trwy ddileu'r angen am sbectroffotomedr, defnyddiwyd dysgu peiriant i ddehongli lliw'r datrysiad a gwahaniaethu rhwng unigolion normal a chanseraidd gan ddefnyddio ffotograff ffôn symudol, a llwyddwyd i sicrhau cywirdeb hefyd ar 90.0%.

Cyfeirnod: DOI: 10.1039/d2ra05725e