اللغة الصينية
يُعد الكشف المبكر عن السرطان باستخدام خزعة السائل اتجاهًا جديدًا للكشف عن السرطان وتشخيصه، اقترحه المعهد الوطني الأمريكي للسرطان في السنوات الأخيرة، بهدف الكشف المبكر عن السرطان أو حتى الآفات ما قبل السرطانية. وقد استُخدم على نطاق واسع كمؤشر حيوي جديد للتشخيص المبكر لمختلف الأورام الخبيثة، بما في ذلك سرطان الرئة، وأورام الجهاز الهضمي، والأورام الدبقية، والأورام النسائية.
إن ظهور منصات لتحديد المؤشرات الحيوية لمشهد الميثلة (Methylscape) لديه القدرة على تحسين الفحص المبكر للسرطان بشكل كبير، ووضع المرضى في أقرب مرحلة قابلة للعلاج.
طوّر باحثون مؤخرًا منصة استشعار بسيطة ومباشرة للكشف عن طبيعة الميثيل، بالاعتماد على جسيمات نانوية ذهبية مُغطاة بالسيستامين (Cyst/AuNPs)، بالإضافة إلى مستشعر حيوي قائم على الهاتف الذكي، مما يُتيح الفحص المبكر والسريع لمجموعة واسعة من الأورام. يُمكن إجراء الفحص المبكر لسرطان الدم خلال 15 دقيقة بعد استخراج الحمض النووي من عينة دم، بدقة تصل إلى 90%. عنوان المقال هو: الكشف السريع عن الحمض النووي للسرطان في دم الإنسان باستخدام جسيمات نانوية ذهبية مُغطاة بالسيستامين وهاتف ذكي مُدعّم بتقنيات التعلم الآلي.
الشكل 1. يمكن إنجاز منصة استشعار بسيطة وسريعة لفحص السرطان عبر مكونات Cyst/AuNPs في خطوتين بسيطتين.
يوضح الشكل 1 ذلك. أولًا، استُخدم محلول مائي لإذابة شظايا الحمض النووي. ثم أُضيفت جزيئات الكيس/جسيمات النانو الذهبية إلى المحلول المختلط. يختلف الحمض النووي الطبيعي عن الحمض النووي الخبيث في خصائص الميثلة، مما ينتج عنه شظايا حمض نووي ذات أنماط تجميع ذاتي مختلفة. يتجمع الحمض النووي الطبيعي بشكل غير محكم، وفي النهاية يُجمع جزيئات الكيس/جسيمات النانو الذهبية، مما يُنتج عنه انزياح لون جزيئات الكيس/جسيمات النانو الذهبية نحو الأحمر، بحيث يُمكن ملاحظة تغير لونها من الأحمر إلى الأرجواني بالعين المجردة. في المقابل، يؤدي نمط الميثلة الفريد للحمض النووي للسرطان إلى إنتاج مجموعات أكبر من شظايا الحمض النووي.
التُقطت صورٌ لصفائحَ ذات 96 بئرًا باستخدام كاميرا هاتف ذكي. وقيست الحمض النووي للسرطان بواسطة هاتف ذكي مُزوَّد بتقنية التعلم الآلي، مُقارنةً بالطرق القائمة على التحليل الطيفي.
فحص السرطان في عينات الدم الحقيقية
لتوسيع نطاق استخدام منصة الاستشعار، استخدم الباحثون مستشعرًا نجح في التمييز بين الحمض النووي الطبيعي والسرطاني في عينات الدم الحقيقية. تُنظّم أنماط الميثلة في مواقع CpG التعبير الجيني وراثيًا. في جميع أنواع السرطان تقريبًا، لوحظ تناوب التغيرات في ميثلة الحمض النووي، وبالتالي في التعبير عن الجينات التي تُحفّز تكوّن الأورام.
كنموذج لأنواع أخرى من السرطان مرتبطة بمثيلة الحمض النووي، استخدم الباحثون عينات دم من مرضى سرطان الدم وضوابط سليمة لدراسة فعالية مشهد المثيلة في التمييز بين سرطانات الدم. لا يتفوق هذا المؤشر الحيوي لمشهد المثيلة على طرق الفحص السريع لسرطان الدم الحالية فحسب، بل يُظهر أيضًا إمكانية توسيع نطاق الكشف المبكر عن مجموعة واسعة من أنواع السرطان باستخدام هذا الاختبار البسيط والمباشر.
تم تحليل الحمض النووي من عينات دم مأخوذة من 31 مريضًا بسرطان الدم و12 فردًا سليمًا. وكما هو موضح في الرسم البياني الصندوقي في الشكل 2أ، كان الامتصاص النسبي لعينات السرطان (ΔA650/525) أقل من امتصاص الحمض النووي من العينات الطبيعية. ويعود ذلك أساسًا إلى زيادة كراهية الماء، مما أدى إلى تراكم كثيف للحمض النووي للسرطان، مما منع تراكم جسيمات النانو الكيسية/جسيمات النانو الذهبية. ونتيجة لذلك، توزعت هذه الجسيمات النانوية تمامًا في الطبقات الخارجية لتجمعات السرطان، مما أدى إلى انتشار مختلف لجسيمات النانو الكيسية/جسيمات النانو الذهبية الممتصة على تجمعات الحمض النووي الطبيعية والسرطانية. ثم تم توليد منحنيات ROC بتغيير العتبة من الحد الأدنى لقيمة ΔA650/525 إلى الحد الأقصى.
الشكل 2.(أ) قيم الامتصاص النسبية لمحاليل الكيس/جسيمات النانو الذهبية التي تُظهر وجود الحمض النووي الطبيعي (الأزرق) والسرطاني (الأحمر) في ظل ظروف مُحسّنة
(DA650/525) من المخططات الصندوقية؛ (ب) تحليل ROC وتقييم الاختبارات التشخيصية. (ج) مصفوفة الارتباك لتشخيص المرضى الطبيعيين ومرضى السرطان. (د) الحساسية والنوعية والقيمة التنبؤية الإيجابية (PPV) والقيمة التنبؤية السلبية (NPV) ودقة الطريقة المطورة.
كما هو موضح في الشكل 2ب، أظهرت المساحة الواقعة أسفل منحنى ROC (AUC = 0.9274) المُستحصل عليها للمستشعر المُطوّر حساسيةً وخصوصيةً عاليتين. وكما يتضح من الرسم البياني الصندوقي، فإن أدنى نقطة تُمثل مجموعة الحمض النووي الطبيعية ليست منفصلةً تمامًا عن أعلى نقطة تُمثل مجموعة الحمض النووي السرطانية؛ لذلك، استُخدم الانحدار اللوجستي للتمييز بين المجموعتين الطبيعية والسرطانية. باستخدام مجموعة من المتغيرات المستقلة، يُقدّر هذا الانحدار احتمالية وقوع حدث، مثل مجموعة سرطانية أو طبيعية. يتراوح المتغير التابع بين 0 و1. وبالتالي، تُمثّل النتيجة احتمالية. وقد حددنا احتمالية تحديد الإصابة بالسرطان (P) بناءً على ΔA650/525 كما يلي.
حيث b=5.3533، w1=-6.965. لتصنيف العينة، يشير الاحتمال الأقل من 0.5 إلى عينة طبيعية، بينما يشير الاحتمال الذي يبلغ 0.5 أو أعلى إلى عينة سرطانية. يوضح الشكل 2ج مصفوفة الارتباك الناتجة عن التحقق المتبادل غير المباشر، والذي استُخدم للتحقق من ثبات طريقة التصنيف. يلخص الشكل 2د تقييم الاختبار التشخيصي لهذه الطريقة، بما في ذلك الحساسية والنوعية والقيمة التنبؤية الإيجابية (PPV) والقيمة التنبؤية السلبية (NPV).
أجهزة الاستشعار الحيوية المعتمدة على الهواتف الذكية
لتبسيط اختبار العينات بشكل أكبر دون استخدام أجهزة قياس الطيف الضوئي، استخدم الباحثون الذكاء الاصطناعي (AI) لتفسير لون المحلول والتمييز بين الأفراد الطبيعيين والسرطانيين. وبناءً على ذلك، تم استخدام الرؤية الحاسوبية لترجمة لون محلول Cyst/AuNPs إلى حمض نووي طبيعي (أرجواني) أو حمض نووي سرطاني (أحمر) باستخدام صور لوحات 96 بئرًا تم التقاطها من خلال كاميرا الهاتف المحمول. يمكن للذكاء الاصطناعي تقليل التكاليف وتحسين إمكانية الوصول في تفسير لون محاليل الجسيمات النانوية، ودون استخدام أي ملحقات للأجهزة البصرية للهواتف الذكية. وأخيرًا، تم تدريب نموذجين للتعلم الآلي، بما في ذلك الغابة العشوائية (RF) وآلة المتجهات الداعمة (SVM) لبناء النماذج. صنف كل من نموذجي RF وSVM العينات بشكل صحيح على أنها موجبة وسلبية بدقة 90.0٪. وهذا يشير إلى أن استخدام الذكاء الاصطناعي في الاستشعار الحيوي القائم على الهاتف المحمول ممكن تمامًا.
الشكل 3. (أ) الفئة المستهدفة للحل المسجلة أثناء تحضير العينة لخطوة التقاط الصورة. (ب) صورة نموذجية تم التقاطها أثناء خطوة التقاط الصورة. (ج) شدة اللون لمحلول الكيس/جسيمات النانو الذهبية في كل بئر من اللوحة المكونة من 96 بئرًا المستخرجة من الصورة (ب).
باستخدام جسيمات النانو النانوية الكيسية/الذهبية، نجح الباحثون في تطوير منصة استشعار بسيطة لكشف بيئة الميثلة، ومستشعر قادر على تمييز الحمض النووي الطبيعي عن الحمض النووي للسرطان عند استخدام عينات دم حقيقية لفحص سرطان الدم. أظهر المستشعر المطوّر أن الحمض النووي المستخرج من عينات دم حقيقية قادر على الكشف بسرعة وبتكلفة معقولة عن كميات صغيرة من الحمض النووي للسرطان (3 نانومول) لدى مرضى سرطان الدم في غضون 15 دقيقة، وبلغت دقته 95.3%. ولتبسيط فحص العينات بشكل أكبر من خلال الاستغناء عن جهاز قياس الطيف الضوئي، استُخدم التعلم الآلي لتفسير لون المحلول والتمييز بين الأفراد الطبيعيين والمصابين بالسرطان باستخدام صورة فوتوغرافية بالهاتف المحمول، وبلغت الدقة 90%.
المرجع: DOI: 10.1039/d2ra05725e
وقت النشر: ١٨ فبراير ٢٠٢٣
إعدادات الخصوصية