Test di metilazione di DNA cumminatu cù smartphones per screening precoce di tumuri è screening di leucemia cù una precisione di 90.0%!

A deteczione precoce di u cancru basatu nantu à a biòpsia liquida hè una nova direzzione di deteczione di cancru è diagnosi pruposta da l'Istitutu Naziunale di Canceru di i Stati Uniti in l'ultimi anni, cù u scopu di detectà u cancer precoce o ancu lesioni precancerous. Hè statu largamente utilizatu cum'è un novu biomarcatore per u diagnosticu precoce di diverse malignità, cumprese u cancer di pulmone, tumori gastrointestinali, gliomi è tumori ginecologici.

L'emergenza di piattaforme per identificà i biomarcatori di u paisaghju di metilazione (Methylscape) hà u putenziale di migliurà significativamente a screening precoce esistente per u cancro, mettendu i pazienti in a prima fase trattabile.

Recentemente, i circadori anu sviluppatu una piattaforma di rilevazione simplice è diretta per a rilevazione di u paisaghju di metilazione basata in nanoparticelle d'oru decorate di cisteamina (Cyst / AuNPs) cumminate cù un biosensore basatu in smartphone chì permette una rapida screening precoce di una larga gamma di tumori. A screening precoce per a leucemia pò esse realizatu in 15 minuti dopu l'estrazione di DNA da una mostra di sangue, cù una precisione di 90,0%. U titulu di l'articulu hè Rilevazione rapida di l'ADN di u cancer in u sangue umanu utilizendu AuNPs in cisteamina è un smartphone abilitatu per l'apprendimentu automaticu.

Figura 1. Una piattaforma di sensazione simplice è veloce per u screening di u cancer via cumpunenti Cyst / AuNPs pò esse realizatu in dui passi simplici.

Questu hè mostratu in a Figura 1. Prima, una suluzione aqueosa hè stata utilizata per dissolve i frammenti di DNA. Cyst/AuNPs sò stati dopu aghjuntu à a suluzione mista. L'ADN normale è malignu anu diverse proprietà di metilazione, chì risultanu in frammenti di DNA cù diversi mudelli d'auto-assemblea. L'ADN normale s'aggrega in modu vagamente è eventualmente aggrega Cyst/AuNPs, chì si traduce in a natura rossu spostata di Cyst/AuNPs, cusì chì un cambiamentu di culore da rossu à viola pò esse osservatu à l'occhiu nudu. In cuntrastu, u prufilu di metilazione unicu di l'ADN di u cancer porta à a produzzione di clusters più grande di frammenti di DNA.

L'imaghjini di i piatti di 96 pozzi sò stati pigliati cù una camera di smartphone. L'ADN di u cancer hè statu misuratu da un smartphone equipatu di l'apprendimentu automaticu cumparatu cù i metudi basati in spettroscopia.

Screening di u cancer in campioni di sangue reale

Per allargà l'utilità di a piattaforma di sensazione, l'investigatori anu applicatu un sensoru chì hà distinguitu cù successu trà DNA normale è cancerosu in campioni di sangue reale. I mudelli di metilazione in i siti CpG regulanu epigeneticu l'espressione genica. In quasi tutti i tipi di cancru, i cambiamenti in a metilazione di l'ADN è cusì in l'espressione di i geni chì prumove a tumorigenesi sò stati osservati per alterna.

Cum'è un mudellu per altri cancers assuciati à a metilazione di l'ADN, i circadori anu utilizatu campioni di sangue da i malati di leucemia è cuntrolli sani per investigà l'efficacità di u paisaghju di metilazione in a differenziazione di i cancers leucemici. Stu biomarcatore di u paisaghju di metilazione ùn solu supera i metudi di screening rapidu di leucemia esistenti, ma dimustra ancu a fattibilità di estenderà à a rilevazione precoce di una larga gamma di cancers utilizendu stu esame simplice è direttu.

DNA da campioni di sangue da 31 pazienti di leucemia è 12 individui sani hè statu analizatu. cum'è mostra in u box plot in Figura 2a, l'assorbanza relative di i campioni di cancro (ΔA650/525) era più bassu di quellu di DNA da campioni normali. Ciò era principalmente dovuto all'idrofobicità aumentata che portava a una densa aggregazione di DNA di cancro, che impediva l'aggregazione di Cyst/AuNPs. In u risultatu, sti nanoparticles sò stati cumpletamente dispersi in i strati esterni di l'aggregati di u cancer, chì hà risultatu in una dispersione sfarente di Cyst / AuNPs adsorbiti nantu à aggregati di DNA normale è di cancro. E curve ROC sò state generate variendu u sogliu da un valore minimu di ΔA650/525 à un valore massimu.

Figura 2. (a) Valori di assorbanza relative di soluzioni di cisti / AuNPs chì mostranu a presenza di DNA normale (blu) è cancro (rossu) in cundizioni ottimizzate

(DA650/525) di box plots; (b) Analisi ROC è valutazione di testi diagnostichi. (c) Matrice di cunfusione per u diagnosticu di i malati normali è di cancru. (d) Sensibilità, specificità, valore predittivu pusitivu (PPV), valore predittivu negativu (NPV) è precisione di u metudu sviluppatu.

Comu mostra in a Figura 2b, l'area sottu a curva ROC (AUC = 0.9274) ottenuta per u sensoru sviluppatu mostrava una sensibilità è specificità alta. Comu pò esse vistu da u box plot, u puntu più bassu chì rapprisenta u gruppu di DNA normale ùn hè micca ben separatu da u puntu più altu chì rapprisenta u gruppu di DNA di u cancer; dunque, a regressione logistica hè stata aduprata per diferenze trà i gruppi normali è di u cancer. Dà un inseme di variàbili indipendenti, stima a probabilità di un avvenimentu chì accade, cum'è un cancru o un gruppu normale. A variabile dipendente varieghja trà 0 è 1. U risultatu hè dunque una probabilità. Avemu determinatu a probabilità di l'identificazione di u cancer (P) basatu annantu à ΔA650/525 cum'è seguita.

induve b = 5,3533, w1 = -6,965. Per a classificazione di mostra, una probabilità di menu di 0,5 indica una mostra normale, mentre chì una probabilità di 0,5 o più altu indica una mostra di cancru. A figura 2c mostra a matrice di cunfusione generata da a validazione incruciata lasciata sola, chì hè stata aduprata per validà a stabilità di u metudu di classificazione. A figura 2d riassume l'evaluazione di u test diagnosticu di u metudu, cumprese a sensibilità, a specificità, u valore predittivu pusitivu (PPV) è u valore predittivu negativu (NPV).

Biosensori basati su smartphone

Per simplificà ancu più a prova di mostra senza l'usu di spettrofotometri, i circadori anu utilizatu intelligenza artificiale (AI) per interpretà u culore di a suluzione è distingue trà individui normali è cancerosi. Dopu questu, a visione di l'informatica hè stata aduprata per traduce u culore di a suluzione Cyst / AuNPs in DNA normale (viola) o DNA canceroso (rossu) utilizendu l'imaghjini di i platti di 96 pozzi pigliati per una camera di telefuninu. L'intelligenza artificiale pò riduce i costi è migliurà l'accessibilità in l'interpretazione di u culore di suluzioni di nanoparticulate, è senza l'usu di l'accessori per smartphone di hardware otticu. Infine, dui mudelli di machine learning, cumprese Random Forest (RF) è Support Vector Machine (SVM) sò stati furmati per custruisce i mudelli. tramindui i mudelli RF è SVM anu classificatu currettamente i campioni cum'è pusitivi è negativi cù una precisione di 90.0%. Questu suggerisce chì l'usu di l'intelligenza artificiale in a biosensazione basata in u telefuninu hè abbastanza pussibule.

Figura 3. (a) Classe di destinazione di a suluzione arregistrata durante a preparazione di a mostra per u passu di acquisizione di l'imaghjini. (b) Esempiu d'imaghjini pigliati durante u passu di acquisizione di l'imaghjini. (c) Intensità di culore di a suluzione di cisti / AuNPs in ogni pozzu di a piastra di 96 pozzi estratta da l'imaghjini (b).

Aduprendu Cyst / AuNPs, i circadori anu sviluppatu cù successu una piattaforma di sensazione simplice per a rilevazione di u paisaghju di metilazione è un sensoru capace di distingue l'ADN normale da l'ADN di u cancer quandu utilizanu campioni di sangue reale per u screening di leucemia. U sensoru sviluppatu hà dimustratu chì l'ADN estratto da campioni di sangue reale era capace di detectà in modu rapidu è costu-efficace picculi quantità di DNA di cancru (3nM) in i malati di leucemia in 15 minuti, è dimustrava una precisione di 95,3%. Per simplificà ancu più a prova di mostra eliminendu a necessità di un spettrofotometru, l'apprendimentu di a macchina hè stata utilizata per interpretà u culore di a suluzione è diferenze trà l'individui normali è cancerosi chì utilizanu una fotografia di u telefuninu, è a precisione hè stata ancu capace di ottene u 90.0%.

Riferimentu: DOI: 10.1039/d2ra05725e