בדיקות מתילציה של DNA בשילוב עם סמארטפונים להקרנה מוקדמת של גידולים והקרנת לוקמיה ברמת דיוק של 90.0%!

איתור מוקדם של סרטן המבוסס על ביופסיה נוזלית הוא כיוון חדש לגילוי ואבחון סרטן שהוצע על ידי המכון הלאומי לסרטן בארה"ב בשנים האחרונות, במטרה לאתר סרטן מוקדם או אפילו נגעים טרום סרטניים. הוא נמצא בשימוש נרחב כסמן ביולוגי חדשני לאבחון מוקדם של ממאירות שונות, כולל סרטן ריאות, גידולים במערכת העיכול, גליומות וגידולים גינקולוגיים.

להופעתן של פלטפורמות לזיהוי נוף מתילציה (מתילסקייפ) סמנים ביולוגיים יש פוטנציאל לשפר משמעותית את הבדיקה המוקדמת הקיימת לסרטן, מה שמציב את החולים בשלב הניתן לטיפול המוקדם ביותר.

לאחרונה, החוקרים פיתחו פלטפורמת חישה פשוטה וישירה לגילוי נוף מתילציה המבוסס על ננו-חלקיקים זהב מעוטרים בציסטאין (ציסטה/AUNPS) בשילוב עם חיישן ביולוגי מבוסס סמארטפון המאפשר סינון מוקדם של מגוון רחב של גידולים. ניתן לבצע בדיקה מוקדמת של לוקמיה תוך 15 דקות לאחר מיצוי DNA מדגימת דם, ברמת דיוק של 90.0%. כותרת המאמר היא גילוי מהיר של DNA סרטן בדם אנושי באמצעות AUNPs מכוסים ציסטאין וסמארטפון מאפשר למידת מכונה。

איור 1. איור 1. ניתן לבצע פלטפורמת חישה פשוטה ומהירה להקרנת סרטן באמצעות רכיבי ציסטה/AUNPS בשני שלבים פשוטים.

זה מוצג באיור 1. ראשית, נעשה שימוש בתמיסה מימית להמיסת שברי ה- DNA. לאחר מכן נוספו ציסטה/AUNPs לפיתרון המעורב. ל- DNA רגיל וממאיר יש תכונות מתילציה שונות, וכתוצאה מכך שברי DNA עם דפוסי הרכבה עצמיים שונים. DNA רגיל מצטבר באופן רופף ובסופו של דבר מצטבר ציסטה/AUNPs, מה שמביא לאופי המועבר האדום של ציסטה/AUNPs, כך שניתן יהיה לראות שינוי בצבע מאדום לסגול בעין בלתי מזוינת. לעומת זאת, פרופיל המתילציה הייחודי של DNA סרטן מוביל לייצור אשכולות גדולים יותר של שברי DNA.

תמונות של צלחות 96 בארות צולמו באמצעות מצלמת סמארטפון. ה- DNA של סרטן נמדד על ידי סמארטפון המצויד בלמידה במכונה בהשוואה לשיטות מבוססות ספקטרוסקופיה.

בדיקת סרטן בדגימות דם אמיתיות

כדי להרחיב את התועלת של פלטפורמת החישה, החוקרים יישמו חיישן שהבחין בהצלחה בין DNA רגיל לסרטן בדגימות דם אמיתיות. דפוסי מתילציה באתרי CpG מווסתים באופן אפיגנטי ביטוי גנים. כמעט בכל סוגי הסרטן, נצפו שינויים במתילציה של DNA ובכך בביטוי של גנים המקדמים את הגידולים.

כמודל לסוגי סרטן אחרים הקשורים למתילציה של DNA, החוקרים השתמשו בדגימות דם מחולי לוקמיה וביקורת בריאה כדי לחקור את היעילות של נוף המתילציה בהבחנה בין סרטן לויקמי. סמן ביולוגי נוף מתילציה זה לא רק עולה על שיטות סינון לוקמיה מהירות קיימות, אלא גם מדגים את היתכנותה של הארכה לגילוי מוקדם של מגוון רחב של סרטן באמצעות בדיקה פשוטה ופשוטה זו.

נותח DNA מדגימות דם מ -31 חולי לוקמיה ו -12 אנשים בריאים. כפי שמוצג בעלילת התיבה באיור 2 א, הספיגה היחסית של דגימות הסרטן (ΔA650/525) הייתה נמוכה מזו של ה- DNA מדגימות רגילות. זה נבע בעיקר מההידרופוביות המשופרת שהובילה לצבירה צפופה של DNA סרטן, מה שמנע את הצטברות הציסטה/AUNPs. כתוצאה מכך, חלקיקים ננו -חלקיקים אלה התפזרו לחלוטין בשכבות החיצוניות של אגרגטי הסרטן, מה שהביא לפיזור שונה של ציסטה/AUNPs הנספגים על אגרגטים DNA רגילים וסרטן. לאחר מכן נוצרו עקומות ROC על ידי שינוי הסף מערך מינימלי של ΔA650/525 לערך מקסימלי.

איור 2. איור 2. (א) ערכי ספיגה יחסית של פתרונות ציסטה/AUNP

(DA650/525) של חלקות קופסאות; (ב) ניתוח ROC והערכה של בדיקות אבחון. (ג) מטריצת בלבול לאבחון חולי תקינה וסרטן. (ד) רגישות, ספציפיות, ערך חיזוי חיובי (PPV), ערך חיזוי שלילי (NPV) ודיוק של השיטה המפותחת.

כפי שמוצג באיור 2B, השטח מתחת לעקומת ה- ROC (AUC = 0.9274) שהתקבל עבור החיישן המפותח הראה רגישות וספציפיות גבוהה. כפי שניתן לראות ממגרש הקופסה, הנקודה הנמוכה ביותר המייצגת את קבוצת ה- DNA הרגילה אינה מופרדת היטב מהנקודה הגבוהה ביותר המייצגת את קבוצת ה- DNA של הסרטן; לכן נעשה שימוש ברגרסיה לוגיסטית כדי להבדיל בין קבוצות הרגילות לסרטן. בהינתן קבוצה של משתנים עצמאיים, היא מעריכה את ההסתברות לאירוע שמתרחש, כמו סרטן או קבוצה רגילה. המשתנה התלוי נע בין 0 ל -1. התוצאה היא אפוא הסתברות. קבענו את ההסתברות לזיהוי סרטן (P) המבוסס על ΔA650/525 כדלקמן.

כאשר B = 5.3533, W1 = -6.965. לסיווג מדגם, ההסתברות של פחות מ- 0.5 מעידה על מדגם רגיל, ואילו הסתברות של 0.5 ומעלה מעידה על מדגם סרטן. איור 2 ג 'מתאר את מטריצת הבלבול שנוצרה מהתיקון הנגדי לחופשה-זה, ששימשה לאימות היציבות של שיטת הסיווג. איור 2D מסכם את הערכת בדיקת האבחון של השיטה, כולל רגישות, ספציפיות, ערך חיזוי חיובי (PPV) וערך חיזוי שלילי (NPV).

חיישני ביו סמארטפון

כדי לפשט עוד יותר את בדיקות הדגימה ללא שימוש בספקטרופוטומטרים, החוקרים השתמשו בבינה מלאכותית (AI) כדי לפרש את צבע הפיתרון ולהבחין בין אנשים רגילים לסרטן. בהתחשב בכך, ראיית מחשב שימשה לתרגום צבע של תמיסת הציסטה/AUNPS ל- DNA רגיל (סגול) או DNA סרטני (אדום) באמצעות תמונות של צלחות 96 בארות שנלקחו דרך מצלמת טלפון נייד. בינה מלאכותית יכולה להפחית עלויות ולשפר את הנגישות בפירוש צבע פתרונות ננו -חלקיקים, וללא שימוש באביזרי סמארטפון חומרה אופטית. לבסוף, שני מודלים של למידת מכונות, כולל יער אקראי (RF) ומכונת וקטור תמיכה (SVM) הוכשרו לבניית הדגמים. גם דגמי ה- RF וה- SVM סיווגו נכון את הדגימות כחיוביות ושליליות ברמת הדיוק של 90.0%. זה מצביע על כך שהשימוש בבינה מלאכותית בביו-סנסינג מבוסס טלפונים ניידים אפשרי בהחלט.

איור 3. איור 3. (א) מחלקת היעד של הפיתרון שנרשם במהלך הכנת הדגימה לשלב רכישת התמונה. (ב) תמונה דוגמה שצולמה במהלך שלב רכישת התמונה. (ג) עוצמת הצבע של תמיסת הציסטה/AUNPS בכל באר של צלחת 96 בארות שחולצה מהתמונה (B).

בעזרת ציסטה/AUNPs, החוקרים פיתחו בהצלחה פלטפורמת חישה פשוטה לגילוי נוף מתילציה וחיישן המסוגל להבחין ב- DNA רגיל לבין DNA בסרטן בעת ​​שימוש בדגימות דם אמיתיות לצורך בדיקת לוקמיה. החיישן המפותח הדגים כי ה- DNA שחולץ מדגימות דם אמיתיות הצליח לאתר במהירות ובעלות חסכונית כמויות קטנות של DNA סרטן (3NM) בקרב חולי לוקמיה תוך 15 דקות, והראה דיוק של 95.3%. כדי לפשט עוד יותר את בדיקות הדגימה על ידי ביטול הצורך בספקטרופוטומטר, נעשה שימוש בלמידה במכונה כדי לפרש את צבע הפיתרון ולהבדיל בין אנשים רגילים לסרטן באמצעות תצלום טלפוני נייד, ודיוק ניתן היה להשיג גם הוא 90.0%.

הפניה: doi: 10.1039/d2ra05725e