Ang pagsubok ng methylation ng DNA na sinamahan ng mga smartphone para sa maagang pag -screening ng mga bukol at screening ng leukemia na may katumpakan na 90.0%!

Ang maagang pagtuklas ng kanser batay sa likidong biopsy ay isang bagong direksyon ng pagtuklas ng kanser at pagsusuri na iminungkahi ng US National Cancer Institute sa mga nakaraang taon, na may layunin na makita ang maagang kanser o kahit na mga precancerous lesyon. Malawakang ginagamit ito bilang isang nobelang biomarker para sa maagang pagsusuri ng iba't ibang mga malignancies, kabilang ang cancer sa baga, gastrointestinal tumor, gliomas at gynecological tumor.

Ang paglitaw ng mga platform upang makilala ang mga biomarker ng methylation (methylscape) ay may potensyal na makabuluhang mapabuti ang umiiral na maagang screening para sa cancer, na inilalagay ang mga pasyente sa pinakaunang yugto ng paggamot.

Kamakailan lamang, ang mga mananaliksik ay nakabuo ng isang simple at direktang platform ng sensing para sa pagtuklas ng landscape ng methylation batay sa cysteamine na pinalamutian ng gintong nanoparticles (CYST/AuNPs) na sinamahan ng isang biosensor na batay sa smartphone na nagbibigay-daan sa mabilis na maagang pag-screening ng isang malawak na hanay ng mga tumor. Ang maagang screening para sa leukemia ay maaaring isagawa sa loob ng 15 minuto pagkatapos ng pagkuha ng DNA mula sa isang sample ng dugo, na may katumpakan na 90.0%. Ang pamagat ng artikulo ay mabilis na pagtuklas ng cancer DNA sa dugo ng tao gamit ang mga cysteamine-capped auNPs at isang smartphone na pinagana ng pag-aaral ng makina。

Larawan 1. Ang isang simple at mabilis na platform ng sensing para sa screening ng cancer sa pamamagitan ng mga sangkap ng Cyst/AuNPs ay maaaring maisagawa sa dalawang simpleng hakbang.

Ipinapakita ito sa Figure 1. Una, isang may tubig na solusyon ang ginamit upang matunaw ang mga fragment ng DNA. Ang Cyst/AuNPs ay pagkatapos ay idinagdag sa halo -halong solusyon. Ang normal at malignant na DNA ay may iba't ibang mga katangian ng methylation, na nagreresulta sa mga fragment ng DNA na may iba't ibang mga pattern ng pagpupulong sa sarili. Ang mga normal na pag-iipon ng DNA nang maluwag at kalaunan ay pinagsama-sama ang mga cyst/auNP, na nagreresulta sa red-shift na likas na katangian ng cyst/auNPs, upang ang isang pagbabago ng kulay mula sa pula hanggang lila ay maaaring sundin sa hubad na mata. Sa kaibahan, ang natatanging profile ng methylation ng cancer DNA ay humahantong sa paggawa ng mas malaking kumpol ng mga fragment ng DNA.

Ang mga imahe ng 96-well plate ay kinuha gamit ang isang smartphone camera. Ang cancer DNA ay sinusukat ng isang smartphone na nilagyan ng pag-aaral ng makina kumpara sa mga pamamaraan na batay sa spectroscopy.

Ang screening ng cancer sa mga tunay na sample ng dugo

Upang mapalawak ang utility ng platform ng sensing, inilapat ng mga investigator ang isang sensor na matagumpay na nakikilala sa pagitan ng normal at cancerous DNA sa mga tunay na sample ng dugo. Ang mga pattern ng Methylation sa mga site ng CpG na epigenetically ay nag -regulate ng expression ng gene. Sa halos lahat ng mga uri ng kanser, ang mga pagbabago sa methylation ng DNA at sa gayon sa pagpapahayag ng mga gene na nagtataguyod ng tumourigenesis ay na -obserbahan sa kahalili.

Bilang isang modelo para sa iba pang mga kanser na nauugnay sa DNA methylation, ginamit ng mga mananaliksik ang mga sample ng dugo mula sa mga pasyente ng leukemia at malusog na mga kontrol upang siyasatin ang pagiging epektibo ng methylation landscape sa pagkakaiba -iba ng mga leukaemic cancer. Ang methylation landscape biomarker na ito ay hindi lamang mga outperform na umiiral na mabilis na mga pamamaraan ng screening ng leukemia, ngunit ipinapakita din ang pagiging posible ng pagpapalawak sa maagang pagtuklas ng isang malawak na hanay ng mga kanser gamit ang simple at prangka na assay na ito.

Ang DNA mula sa mga sample ng dugo mula sa 31 mga pasyente ng leukemia at 12 malulusog na indibidwal ang nasuri. Tulad ng ipinapakita sa plot ng kahon sa Figure 2A, ang kamag -anak na pagsipsip ng mga sample ng kanser (ΔA650/525) ay mas mababa kaysa sa DNA mula sa mga normal na sample. Ito ay higit sa lahat dahil sa pinahusay na hydrophobicity na humahantong sa siksik na pagsasama -sama ng cancer DNA, na pumigil sa pagsasama -sama ng Cyst/AuNPs. Bilang isang resulta, ang mga nanoparticle na ito ay ganap na nagkalat sa mga panlabas na layer ng mga pinagsama -samang cancer, na nagresulta sa ibang pagpapakalat ng mga cyst/auNPs na na -adsorbed sa normal at mga pinagsama -samang cancer. Ang mga curves ng ROC ay pagkatapos ay nabuo sa pamamagitan ng pag -iiba ng threshold mula sa isang minimum na halaga ng ΔA650/525 sa isang maximum na halaga.

Larawan 2. (a) Mga kamag -anak na halaga ng pagsipsip ng mga solusyon sa Cyst/AuNPs na nagpapakita ng pagkakaroon ng normal (asul) at kanser (pula) na DNA sa ilalim ng na -optimize na mga kondisyon

(DA650/525) ng mga kahon ng plots; (b) Pagsusuri ng ROC at pagsusuri ng mga pagsusuri sa diagnostic. (c) Pagkalito matrix para sa diagnosis ng mga normal at mga pasyente ng cancer. .

Tulad ng ipinapakita sa Figure 2B, ang lugar sa ilalim ng ROC curve (AUC = 0.9274) na nakuha para sa binuo sensor ay nagpakita ng mataas na pagiging sensitibo at pagiging tiyak. Tulad ng makikita mula sa plot ng kahon, ang pinakamababang punto na kumakatawan sa normal na pangkat ng DNA ay hindi maayos na nahihiwalay mula sa pinakamataas na punto na kumakatawan sa pangkat ng DNA ng kanser; Samakatuwid, ang logistic regression ay ginamit upang magkakaiba sa pagitan ng mga normal at pangkat ng cancer. Ibinigay ang isang hanay ng mga independiyenteng variable, tinatantya nito ang posibilidad ng isang kaganapan na nagaganap, tulad ng isang cancer o normal na grupo. Ang nakasalalay na variable na saklaw sa pagitan ng 0 at 1. Ang resulta ay isang posibilidad. Natukoy namin ang posibilidad ng pagkilala sa kanser (P) batay sa ΔA650/525 tulad ng mga sumusunod.

kung saan b = 5.3533, w1 = -6.965. Para sa sample na pag -uuri, ang isang posibilidad na mas mababa sa 0.5 ay nagpapahiwatig ng isang normal na sample, habang ang isang posibilidad na 0.5 o mas mataas ay nagpapahiwatig ng isang sample ng kanser. Ang Figure 2c ay naglalarawan ng pagkalito ng pagkalito na nabuo mula sa leave-it-alone na cross-validation, na ginamit upang mapatunayan ang katatagan ng pamamaraan ng pag-uuri. Ibinubuod ng Figure 2D ang pagsusuri ng pagsusuri ng diagnostic ng pamamaraan, kabilang ang pagiging sensitibo, pagtutukoy, positibong mahuhulaan na halaga (PPV) at negatibong halaga ng mahuhulaan (NPV).

Mga biosensor na nakabase sa Smartphone

Upang higit pang gawing simple ang sample na pagsubok nang walang paggamit ng mga spectrophotometer, ginamit ng mga mananaliksik ang artipisyal na katalinuhan (AI) upang bigyang kahulugan ang kulay ng solusyon at makilala sa pagitan ng mga normal at cancerous na indibidwal. Dahil dito, ginamit ang pangitain sa computer upang isalin ang kulay ng solusyon ng Cyst/AuNPs sa normal na DNA (lila) o cancerous DNA (pula) gamit ang mga imahe ng 96-well plate na kinuha sa pamamagitan ng isang mobile phone camera. Ang artipisyal na katalinuhan ay maaaring mabawasan ang mga gastos at pagbutihin ang pag -access sa pagbibigay kahulugan sa kulay ng mga solusyon sa nanoparticle, at nang walang paggamit ng anumang mga accessory ng optical hardware smartphone. Sa wakas, ang dalawang modelo ng pag -aaral ng makina, kabilang ang Random Forest (RF) at Support Vector Machine (SVM) ay sinanay upang mabuo ang mga modelo. Parehong ang mga modelo ng RF at SVM ay wastong inuri ang mga sample bilang positibo at negatibo na may katumpakan na 90.0%. Ipinapahiwatig nito na posible ang paggamit ng artipisyal na katalinuhan sa biosensing na batay sa mobile phone.

Larawan 3. (a) Target na klase ng solusyon na naitala sa panahon ng paghahanda ng sample para sa hakbang sa pagkuha ng imahe. (b) Halimbawa ng imahe na kinuha sa hakbang sa pagkuha ng imahe. .

Gamit ang CYST/AuNPs, ang mga mananaliksik ay matagumpay na nakabuo ng isang simpleng platform ng sensing para sa pagtuklas ng landscape ng methylation at isang sensor na may kakayahang makilala ang normal na DNA mula sa kanser sa DNA kapag gumagamit ng mga tunay na sample ng dugo para sa screening ng leukemia. Ang binuo sensor ay nagpakita na ang DNA na nakuha mula sa mga tunay na sample ng dugo ay nagawang mabilis at epektibong nakakakita ng maliit na halaga ng kanser DNA (3NM) sa mga pasyente ng leukemia sa loob ng 15 minuto, at nagpakita ng isang katumpakan na 95.3%. Upang higit pang gawing simple ang sample na pagsubok sa pamamagitan ng pag -alis ng pangangailangan para sa isang spectrophotometer, ang pag -aaral ng makina ay ginamit upang bigyang kahulugan ang kulay ng solusyon at magkakaiba sa pagitan ng mga normal at cancerous na mga indibidwal na gumagamit ng isang litrato ng mobile phone, at ang kawastuhan ay nakamit din sa 90.0%.

Sanggunian: doi: 10.1039/d2ra05725e