Test di metilazione di u DNA cumminatu cù smartphones per u screening precoce di tumori è u screening di leucemia cù una precisione di 90,0%!

A rilevazione precoce di u cancru basata annantu à a biopsia liquida hè una nova direzzione di rilevazione è diagnosi di u cancru pruposta da l'Istitutu Naziunale di u Cancru di i Stati Uniti in l'ultimi anni, cù l'ubbiettivu di rilevà u cancru precoce o ancu e lesioni precancerose. Hè stata largamente aduprata cum'è un novu biomarcatore per a diagnosi precoce di diverse malignità, cumprese u cancru di u pulmone, i tumori gastrointestinali, i gliomi è i tumori ginecologichi.

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

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

Figura 1. Una piattaforma di rilevamentu simplice è rapida per u screening di u cancru via cumpunenti Cyst/AuNPs pò esse realizata in dui passi simplici.

Questu hè mostratu in a Figura 1. Prima, una suluzione acquosa hè stata aduprata per dissolve i frammenti di DNA. E cisti/AuNP sò state dopu aghjunte à a suluzione mischiata. U DNA nurmale è malignu anu diverse proprietà di metilazione, risultendu in frammenti di DNA cù diversi mudelli di autoassemblaggio. U DNA nurmale s'aggrega liberamente è infine aggrega e cisti/AuNP, ciò chì si traduce in a natura spostata versu u rossu di e cisti/AuNP, in modu chì un cambiamentu di culore da u rossu à u viola pò esse osservatu à ochju nudu. In cuntrastu, u prufilu unicu di metilazione di u DNA cancerosu porta à a pruduzzione di gruppi più grandi di frammenti di DNA.

L'imagine di piastre à 96 pozzetti sò state pigliate cù una camera di smartphone. U DNA di u cancru hè statu misuratu da un smartphone equipatu di apprendimentu automaticu paragunatu à i metudi basati nantu à a spettroscopia.

Screening di u cancru in campioni di sangue reale

Per allargà l'utilità di a piattaforma di rilevamentu, i ricercatori anu applicatu un sensore chì hà distintu cù successu trà DNA nurmale è cancerosu in campioni di sangue reale. I mudelli di metilazione in i siti CpG regulanu epigeneticamente l'espressione genica. In quasi tutti i tipi di cancru, sò stati osservati cambiamenti in a metilazione di u DNA è dunque in l'espressione di i geni chì prumove a tumorigenesi.

Cum'è mudellu per altri cancri assuciati à a metilazione di u DNA, i circadori anu utilizatu campioni di sangue di pazienti cun leucemia è cuntrolli sani per investigà l'efficacità di u paisaghju di metilazione in a differenziazione di i cancri leucemici. Stu biomarcatore di u paisaghju di metilazione ùn solu supera i metudi di screening rapidu di a leucemia esistenti, ma dimostra ancu a fattibilità di estende à a rilevazione precoce di una vasta gamma di cancri utilizendu questu test simplice è direttu.

Hè statu analizatu u DNA di campioni di sangue di 31 pazienti cun leucemia è 12 individui sani. Cum'è mostratu in u graficu à scatula in a Figura 2a, l'assorbanza relativa di i campioni di cancru (ΔA650/525) era più bassa di quella di u DNA di campioni nurmali. Questu era principalmente duvutu à l'idrofobicità aumentata chì porta à una densa aggregazione di DNA di cancru, chì hà impeditu l'aggregazione di Cyst/AuNPs. Di cunsiguenza, ste nanoparticule sò state cumpletamente disperse in i strati esterni di l'aggregati di cancru, ciò chì hà risultatu in una dispersione diversa di Cyst/AuNPs adsorbite nantu à l'aggregati di DNA nurmali è di cancru. E curve ROC sò state poi generate variendu a soglia da un valore minimu di ΔA650/525 à un valore massimu.

Figura 2.(a) Valori d'assorbanza relativi di e soluzioni di cisti/AuNP chì mostranu a presenza di DNA nurmale (blu) è cancerosu (rossu) in cundizioni ottimizzate

(DA650/525) di i grafichi a scatula; (b) Analisi ROC è valutazione di i testi diagnostichi. (c) Matrice di cunfusione per a diagnosi di i pazienti nurmali è oncologichi. (d) Sensibilità, specificità, valore predittivu pusitivu (PPV), valore predittivu negativu (NPV) è precisione di u metudu sviluppatu.

Cum'è mostratu in a Figura 2b, l'area sottu à a curva ROC (AUC = 0.9274) ottenuta per u sensore sviluppatu hà mostratu alta sensibilità è specificità. Cum'è si pò vede da u graficu à scatula, u puntu u più bassu chì rapprisenta u gruppu di DNA nurmale ùn hè micca bè siparatu da u puntu u più altu chì rapprisenta u gruppu di DNA di u cancru; dunque, a regressione logistica hè stata aduprata per differenzià trà i gruppi nurmali è di u cancru. Datu un inseme di variabili indipendenti, stima a probabilità chì un avvenimentu si verifichi, cum'è un gruppu di cancru o nurmale. A variabile dipendente varia trà 0 è 1. U risultatu hè dunque una probabilità. Avemu determinatu a probabilità d'identificazione di u cancru (P) basata annantu à ΔA650/525 cum'è seguita.

induve b=5.3533,w1=-6.965. Per a classificazione di i campioni, una probabilità inferiore à 0.5 indica un campione nurmale, mentre chì una probabilità di 0.5 o superiore indica un campione di cancru. A figura 2c mostra a matrice di cunfusione generata da a validazione incrociata leave-it-alone, chì hè stata aduprata per validà a stabilità di u metudu di classificazione. A figura 2d riassume a valutazione 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 nantu à smartphone

Per simplificà ulteriormente u test di campioni senza l'usu di spettrofotometri, i circadori anu utilizatu l'intelligenza artificiale (IA) per interpretà u culore di a suluzione è distingue trà individui nurmali è cancerosi. Datu questu, a visione artificiale hè stata aduprata per traduce u culore di a suluzione Cyst/AuNPs in DNA nurmale (viola) o DNA cancerosu (rossu) utilizendu immagini di piastre à 96 pozzetti scattate attraversu una camera di telefuninu mobile. L'intelligenza artificiale pò riduce i costi è migliurà l'accessibilità in l'interpretazione di u culore di e soluzioni di nanoparticelle, è senza l'usu di alcun accessorio hardware otticu per smartphone. Infine, dui mudelli di apprendimentu automaticu, cumpresi Random Forest (RF) è Support Vector Machine (SVM) sò stati furmati per custruisce i mudelli. Sia i mudelli RF sia quelli SVM anu classificatu currettamente i campioni cum'è pusitivi è negativi cù una precisione di u 90,0%. Questu suggerisce chì l'usu di l'intelligenza artificiale in a biosensura basata nantu à i telefoni cellulari hè abbastanza pussibule.

Figura 3.(a) Classe di destinazione di a suluzione registrata durante a preparazione di u campione per a tappa d'acquisizione di l'imagine. (b) Esempiu d'imagine presa durante a tappa d'acquisizione di l'imagine. (c) Intensità di culore di a suluzione cisti/AuNPs in ogni pozzettu di a piastra à 96 pozzetti estratta da l'imagine (b).

Utilizendu Cyst/AuNPs, i circadori anu sviluppatu cù successu una piattaforma di rilevamentu simplice per a rilevazione di u paisaghju di metilazione è un sensore capace di distingue u DNA nurmale da u DNA di u cancru quandu si utilizanu campioni di sangue reale per u screening di a leucemia. U sensore sviluppatu hà dimustratu chì u DNA estrattu da campioni di sangue reale era capace di rilevà rapidamente è in modu efficace in termini di costi piccule quantità di DNA di u cancru (3nM) in i pazienti cun leucemia in 15 minuti, è hà mostratu una precisione di 95,3%. Per simplificà ulteriormente u test di i campioni eliminendu a necessità di un spettrofotometru, l'apprendimentu automaticu hè statu utilizatu per interpretà u culore di a suluzione è distingue trà individui nurmali è cancerosi utilizendu una fotografia di telefuninu mobile, è a precisione hè stata ancu ottenuta à 90,0%.

Riferimentu: DOI: 10.1039/d2ra05725e