Profion methylation DNA ynghyd 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 biopsi hylif yn gyfeiriad newydd o ganfod a diagnosis canser a gynigiwyd gan Sefydliad Canser Cenedlaethol yr UD yn ystod y blynyddoedd diwethaf, gyda'r nod o ganfod canser cynnar neu hyd yn oed friwiau gwamal. Fe'i defnyddiwyd yn helaeth fel biomarcwr newydd ar gyfer diagnosis cynnar o wahanol falaenau, gan gynnwys canser yr ysgyfaint, tiwmorau gastroberfeddol, gliomas a thiwmorau gynaecolegol.

Mae gan ymddangosiad llwyfannau i nodi biofarcwyr tirwedd methylation (methylscape) y potensial i wella 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 methylation yn seiliedig ar nanoronynnau aur addurnedig cysteamin (coden/AUNPs) ynghyd â biosynhwyrydd ffôn clyfar sy'n galluogi sgrinio ystod eang o diwmorau yn gyflym yn gyflym. Gellir sgrinio'n gynnar ar gyfer lewcemia cyn pen 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 cysteamin a ffôn clyfar wedi'i alluogi gan ddysgu peiriant。

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

Dangosir hyn yn Ffigur 1. Yn gyntaf, defnyddiwyd toddiant dyfrllyd i doddi'r darnau DNA. Yna ychwanegwyd coden/AuNPs at yr hydoddiant cymysg. Mae gan DNA arferol a malaen wahanol briodweddau methylation, gan arwain at ddarnau DNA gyda phatrymau hunan-ymgynnull gwahanol. Mae DNA arferol yn agregau yn llac ac yn y pen draw yn agregu coden/AuNPs, sy'n arwain at natur coch-symud coden/AuNPs, fel y gellir arsylwi 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.

Cymerwyd delweddau o blatiau 96-ffynnon gan ddefnyddio camera ffôn clyfar. Mesurwyd DNA canser gan ffôn clyfar wedi'i gyfarparu â dysgu â pheiriant o'i gymharu â dulliau sy'n seiliedig ar sbectrosgopeg.

Sgrinio canser mewn samplau gwaed go iawn

Er mwyn ymestyn defnyddioldeb y platfform synhwyro, cymhwysodd yr ymchwilwyr synhwyrydd a oedd yn llwyddo i wahaniaethu rhwng DNA arferol a chanseraidd mewn samplau gwaed go iawn. Mae patrymau methylation mewn safleoedd CpG yn rheoleiddio mynegiant genynnau yn epigenetig. Ym mron pob math o ganser, gwelwyd bod newidiadau mewn methylation DNA ac felly wrth fynegi genynnau sy'n hyrwyddo tumourigenesis yn ail.

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

Dadansoddwyd DNA o samplau gwaed gan 31 o gleifion lewcemia a 12 unigolyn iach. Fel y dangosir yn y llain 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 gan arwain at agregu trwchus o DNA canser, a oedd yn atal agregu coden/AuNPs. O ganlyniad, gwasgarwyd y nanoronynnau hyn yn llwyr yn haenau allanol yr agregau canser, a arweiniodd at wasgariad gwahanol o goden/AuNPs wedi'u adsorbed ar agregau DNA arferol a chanser. Yna cynhyrchwyd cromliniau ROC trwy amrywio'r trothwy o isafswm gwerth ΔA650/525 i werth uchaf.

Ffigur 2. (a) Gwerthoedd amsugno cymharol datrysiadau coden/AuNPs sy'n dangos presenoldeb DNA arferol (glas) a chanser (coch) o dan amodau optimized

(DA650/525) o blotiau blwch; (b) Dadansoddiad a gwerthusiad ROC o brofion diagnostig. (c) Matrics dryswch ar gyfer gwneud diagnosis o gleifion normal a chanser. (D) Sensitifrwydd, penodoldeb, gwerth rhagfynegol cadarnhaol (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 llain blwch, nid yw'r pwynt isaf sy'n cynrychioli'r grŵp DNA arferol wedi'i wahanu'n dda o'r pwynt uchaf sy'n cynrychioli'r grŵp DNA canser; Felly, defnyddiwyd atchweliad logistaidd i wahaniaethu rhwng y grwpiau arferol a grwpiau canser. O ystyried set o newidynnau annibynnol, mae'n amcangyfrif y tebygolrwydd y bydd digwyddiad yn digwydd, fel canser neu grŵp arferol. Mae'r newidyn dibynnol yn amrywio rhwng 0 ac 1. Felly mae'r canlyniad yn debygolrwydd. Gwnaethom bennu tebygolrwydd 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 darlunio’r matrics dryswch a gynhyrchir o’r traws-ddilysu gadael-ei hun, a ddefnyddiwyd i ddilysu sefydlogrwydd y dull dosbarthu. Mae Ffigur 2d yn crynhoi gwerthusiad profion diagnostig y dull, gan gynnwys sensitifrwydd, penodoldeb, gwerth rhagfynegol cadarnhaol (PPV) a gwerth rhagfynegol negyddol (NPV).

Biosynhwyryddion sy'n seiliedig ar 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 arferol a chanseraidd. O ystyried hyn, defnyddiwyd gweledigaeth gyfrifiadurol i gyfieithu lliw y toddiant coden/AuNPs yn DNA arferol (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 datrysiadau nanoronynnau, a heb ddefnyddio unrhyw ategolion ffôn clyfar caledwedd optegol. Yn olaf, hyfforddwyd dau fodel dysgu peiriannau, gan gynnwys coedwig ar hap (RF) a pheiriant fector cymorth (SVM) i lunio'r modelau. Roedd y modelau RF a SVM yn dosbarthu'r samplau yn gywir fel rhai positif a negyddol gyda chywirdeb o 90.0%. Mae hyn yn awgrymu bod defnyddio deallusrwydd artiffisial mewn biosensio symudol sy'n seiliedig ar ffôn 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 gymerwyd yn ystod y cam caffael delwedd. (c) Dwysedd lliw y toddiant coden/AuNPs ym mhob ffynnon o'r plât 96-ffynnon a dynnwyd o'r ddelwedd (B).

Gan ddefnyddio coden/AuNPs, mae ymchwilwyr wedi llwyddo i ddatblygu platfform synhwyro syml ar gyfer canfod tirwedd methylation a synhwyrydd sy'n gallu gwahaniaethu DNA arferol oddi wrth DNA canser wrth ddefnyddio samplau gwaed go iawn ar gyfer sgrinio lewcemia. Dangosodd y synhwyrydd datblygedig fod DNA a dynnwyd o samplau gwaed go iawn yn gallu canfod ychydig 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 yr hydoddiant a gwahaniaethu rhwng unigolion arferol a chanseraidd gan ddefnyddio ffotograff ffôn symudol, a gellir cyflawni cywirdeb hefyd ar 90.0%.

Cyfeirnod: doi: 10.1039/d2ra05725e