DNA metýleringarpróf ásamt snjallsímum til snemmbúinnar skimunar á æxlum og hvítblæðisskimun með 90,0% nákvæmni!

Snemmbúin greining krabbameins með vökvasýnatöku er ný stefna í krabbameinsgreiningu og greiningu sem bandaríska krabbameinsstofnunin hefur lagt til á undanförnum árum, með það að markmiði að greina krabbamein snemma eða jafnvel forstig krabbameins. Það hefur verið mikið notað sem nýr lífmerki til að greina ýmis illkynja sjúkdóma snemma, þar á meðal lungnakrabbamein, meltingarfærakrabbamein, glioma og kvensjúkdómakrabbamein.

Tilkoma kerfa til að bera kennsl á lífmerki metýleringarlandslags (Methylscape) hefur möguleika á að bæta verulega núverandi snemmbúna skimun fyrir krabbameini og koma sjúklingum á fyrsta meðferðarstig.

Nýlega hafa vísindamenn þróað einfalda og beina skynjunarvettvang fyrir metýleringarlandslagsgreiningu byggða á cysteamín-skreyttum gullnanóögnum (Cyst/AuNPs) ásamt snjallsíma-byggðum lífskynjara sem gerir kleift að skima æxli snemma á hraða. Snemmbúin skimun fyrir hvítblæði er hægt að framkvæma innan 15 mínútna eftir DNA-útdrátt úr blóðsýni, með 90,0% nákvæmni. Titill greinarinnar er Hraðgreining krabbameins-DNA í blóði manna með því að nota cysteamín-húðaðar AuNPs og snjallsíma með vélanámi.

Mynd 1. Einfaldur og hraðvirkur skynjunarvettvangur fyrir krabbameinsskimun með blöðru-/aunýpróteinþáttum er hægt að útbúa í tveimur einföldum skrefum.

Þetta er sýnt á mynd 1. Fyrst var vatnslausn notuð til að leysa upp DNA-brotin. Cyst/AuNPs voru síðan bætt út í blönduðu lausnina. Eðlilegt og illkynja DNA hafa mismunandi metýleringseiginleika, sem leiðir til DNA-brota með mismunandi sjálfsamsetningarmynstri. Eðlilegt DNA safnast lauslega saman og safnast að lokum saman í Cyst/AuNPs, sem leiðir til rauðviks eðlis Cyst/AuNPs, þannig að litabreyting frá rauðu í fjólublátt sést með berum augum. Aftur á móti leiðir einstök metýleringsprófíl krabbameins-DNA til myndunar stærri klasa af DNA-brotum.

Myndir af 96 hols plötum voru teknar með snjallsímamyndavél. Krabbameins DNA var mælt með snjallsíma sem var búinn vélanámi samanborið við litrófsgreiningaraðferðir.

Krabbameinsleit í raunverulegum blóðsýnum

Til að auka notagildi skynjunarkerfisins notuðu rannsakendurnir skynjara sem greindi á milli eðlilegs og krabbameins DNA í raunverulegum blóðsýnum. Metýleringarmynstur á CpG stöðum stjórna genatjáningu á erfðafræðilegan hátt. Í næstum öllum krabbameinsgerðum hefur sést að breytingar á DNA metýleringu og þar með tjáningu gena sem stuðla að æxlismyndun skiptast á.

Sem fyrirmynd fyrir önnur krabbamein sem tengjast DNA metýleringu notuðu vísindamennirnir blóðsýni frá hvítblæðissjúklingum og heilbrigðum samanburðarhópi til að kanna virkni metýleringarlandslagsins við að greina á milli hvítblæðiskrabbameina. Þessi lífmerki fyrir metýleringarlandslagið er ekki aðeins betri en núverandi hraðskimunaraðferðir fyrir hvítblæði, heldur sýnir einnig fram á möguleikann á að útvíkka það til snemmbúinnar greiningar á fjölbreyttum krabbameinum með þessari einföldu og greinilegu greiningu.

DNA úr blóðsýnum frá 31 hvítblæðissjúklingi og 12 heilbrigðum einstaklingum var greint. Eins og sést á kassamyndinni á mynd 2a var hlutfallsleg gleypni krabbameinssýnanna (ΔA650/525) lægri en DNA úr heilbrigðum sýnum. Þetta stafaði aðallega af aukinni vatnsfælni sem leiddi til þéttrar samloðunar krabbameins-DNA, sem kom í veg fyrir samloðun Cyst/AuNPs. Fyrir vikið dreifðust þessar nanóagnir að fullu í ytri lögum krabbameins-samloðnanna, sem leiddi til mismunandi dreifingar Cyst/AuNPs sem aðsoguðust á heilbrigð og krabbameins-DNA samloð. ROC-kúrfur voru síðan búnar til með því að breyta þröskuldinum frá lágmarksgildi ΔA650/525 upp í hámarksgildi.

Mynd 2.(a) Hlutfallsleg gleypnigildi blöðru-/AuNP-lausna sem sýna tilvist eðlilegs (blátt) og krabbameins- (rautt) DNA við bestu aðstæður.

(DA650/525) af kassamyndum; (b) ROC greining og mat á greiningarprófum. (c) Ruglingsfylki fyrir greiningu á heilbrigðum sjúklingum og krabbameinssjúklingum. (d) Næmi, sértækni, jákvætt spágildi (PPV), neikvætt spágildi (NPV) og nákvæmni þróaðrar aðferðar.

Eins og sést á mynd 2b sýndi flatarmálið undir ROC ferlinum (AUC = 0,9274) sem fékkst fyrir þróaða skynjarann ​​mikla næmni og sértækni. Eins og sjá má á kassamyndinni er lægsti punkturinn sem táknar eðlilegan DNA hóp ekki vel aðskilinn frá hæsta punktinum sem táknar krabbameins DNA hópinn; því var aðhvarfsgreining notuð til að greina á milli eðlilegra hópa og krabbameinshópa. Miðað við safn óháðra breyta metur það líkurnar á að atburður eigi sér stað, svo sem krabbamein eða eðlilegur hópur. Háða breytan er á bilinu 0 til 1. Niðurstaðan er því líkur. Við ákvörðuðum líkurnar á krabbameinsgreiningu (P) út frá ΔA650/525 á eftirfarandi hátt.

þar sem b=5,3533,w1=-6,965. Fyrir flokkun úrtaks benda líkur minni en 0,5 til eðlilegs úrtaks, en líkur 0,5 eða hærri benda til krabbameinsúrtaks. Mynd 2c sýnir ruglingsfylkið sem myndað var úr „leave-it-one“ krossprófuninni, sem var notuð til að staðfesta stöðugleika flokkunaraðferðarinnar. Mynd 2d sýnir samantekt á greiningarprófunum á aðferðinni, þar á meðal næmi, sértækni, jákvætt spágildi (PPV) og neikvætt spágildi (NPV).

Líffræðilegir skynjarar byggðir á snjallsímum

Til að einfalda enn frekar sýnisprófanir án þess að nota litrófsmæla notuðu vísindamennirnir gervigreind (AI) til að túlka lit lausnarinnar og greina á milli heilbrigðra einstaklinga og krabbameinssjúklinga. Í ljósi þessa var tölvusjón notuð til að þýða lit Cyst/AuNPs lausnarinnar í eðlilegt DNA (fjólublátt) eða krabbameins-DNA (rautt) með því að nota myndir af 96 hols plötum teknum í gegnum farsímamyndavél. Gervigreind getur dregið úr kostnaði og bætt aðgengi að túlkun á litum nanóagnalausna, og án þess að nota neinn sjónrænan vélbúnað eða snjallsímaaukabúnað. Að lokum voru tvær vélanámslíkön, þar á meðal Random Forest (RF) og Support Vector Machine (SVM), þjálfuð til að smíða líkönin. Bæði RF og SVM líkönin flokkuðu sýnin rétt sem jákvæð og neikvæð með 90,0% nákvæmni. Þetta bendir til þess að notkun gervigreindar í líffræðilegri skynjun í farsímum sé vel möguleg.

Mynd 3. (a) Markflokkur lausnarinnar sem skráður var við undirbúning sýnisins fyrir myndatöku. (b) Dæmi um mynd sem tekin var við myndatöku. (c) Litstyrkur blöðru-/AuNP-lausnarinnar í hverjum holi á 96 hola plötunni sem dregin var út úr myndinni (b).

Með því að nota blöðrur/AuNP-prótein hafa vísindamenn þróað einfalda skynjunarvettvang fyrir metýleringarlandslagsgreiningu og skynjara sem getur greint eðlilegt DNA frá krabbameins-DNA þegar raunveruleg blóðsýni eru notuð til hvítblæðisskimunar. Þróaði skynjarinn sýndi fram á að DNA sem unnið var úr raunverulegum blóðsýnum gat fljótt og hagkvæmt greint lítið magn af krabbameins-DNA (3nM) hjá hvítblæðissjúklingum á 15 mínútum og sýndi 95,3% nákvæmni. Til að einfalda enn frekar sýnisprófanir með því að útrýma þörfinni fyrir litrófsmæli var vélanám notað til að túlka lit lausnarinnar og greina á milli heilbrigðra og krabbameins einstaklinga með því að nota ljósmynd úr farsíma og nákvæmni náðist einnig upp á 90,0%.

Tilvísun: DOI: 10.1039/d2ra05725e