اختبار مثيلة الحمض النووي مع الهواتف الذكية للفحص المبكر للأورام وفحص سرطان الدم بدقة 90.0٪!

يعد الاكتشاف المبكر للسرطان بناءً على الخزعة السائلة اتجاهًا جديدًا لاكتشاف السرطان وتشخيصه اقترحه المعهد الوطني للسرطان في الولايات المتحدة في السنوات الأخيرة ، بهدف الكشف عن السرطان المبكر أو حتى الآفات السرطانية.وقد تم استخدامه على نطاق واسع كمؤشر حيوي جديد للتشخيص المبكر للأورام الخبيثة المختلفة ، بما في ذلك سرطان الرئة وأورام الجهاز الهضمي والأورام الدبقية وأورام أمراض النساء.

إن ظهور منصات لتحديد المؤشرات الحيوية لمشهد المثيلة (ميثيل سكيب) لديه القدرة على تحسين الفحص المبكر الحالي للسرطان بشكل كبير ، مما يضع المرضى في أقرب مرحلة يمكن علاجها.

في الآونة الأخيرة ، طور الباحثون منصة استشعار بسيطة ومباشرة لاكتشاف المناظر الطبيعية للميثيل استنادًا إلى جزيئات الذهب النانوية المزينة بالسيستامين (Cyst / AuNPs) جنبًا إلى جنب مع جهاز استشعار حيوي قائم على الهاتف الذكي يتيح الفحص المبكر السريع لمجموعة واسعة من الأورام.يمكن إجراء الفحص المبكر لسرطان الدم في غضون 15 دقيقة بعد استخراج الحمض النووي من عينة الدم ، بدقة 90.0٪.عنوان المقالة هو الكشف السريع عن الحمض النووي للسرطان في دم الإنسان باستخدام AuNPs المغطى بالسيستامين وهاتف ذكي يدعم التعلم الآلي。

الشكل 1. منصة استشعار بسيطة وسريعة لفحص السرطان عن طريق مكونات Cyst / AuNPs يمكن إنجازها في خطوتين بسيطتين.

يظهر هذا في الشكل 1. أولاً ، تم استخدام محلول مائي لإذابة شظايا الحمض النووي.ثم تمت إضافة الكيس / AuNPs إلى المحلول المختلط.الحمض النووي الطبيعي والخبيث له خصائص مثيلة مختلفة ، مما ينتج عنه شظايا DNA ذات أنماط تجميع ذاتي مختلفة.يتجمع الحمض النووي الطبيعي بشكل فضفاض ويجمع في النهاية Cyst / AuNPs ، مما ينتج عنه طبيعة التحول الأحمر للكيس / AuNPs ، بحيث يمكن ملاحظة التغيير في اللون من الأحمر إلى الأرجواني بالعين المجردة.في المقابل ، يؤدي المظهر الفريد للميثيل للحمض النووي للسرطان إلى إنتاج مجموعات أكبر من شظايا الحمض النووي.

تم التقاط صور من 96 لوحة جيدة باستخدام كاميرا الهاتف الذكي.تم قياس الحمض النووي للسرطان بواسطة هاتف ذكي مجهز بالتعلم الآلي مقارنة بالطرق القائمة على التحليل الطيفي.

فحص السرطان في عينات دم حقيقية

لتوسيع فائدة منصة الاستشعار ، استخدم المحققون مستشعرًا يميز بنجاح بين الحمض النووي الطبيعي والسرطان في عينات الدم الحقيقية.أنماط المثيلة في مواقع CpG تنظم التعبير الجيني جينيًا.في جميع أنواع السرطان تقريبًا ، لوحظ أن التغيرات في مثيلة الحمض النووي وبالتالي في التعبير عن الجينات التي تعزز تكوين الأورام تتناوب.

كنموذج لأنواع السرطان الأخرى المرتبطة بمثيل الحمض النووي ، استخدم الباحثون عينات دم من مرضى سرطان الدم وعناصر تحكم صحية لاستقصاء فعالية مشهد الميثلة في التمييز بين سرطانات اللوكيميا.لا يتفوق المرقم الحيوي لمشهد المثيلة هذا على طرق فحص اللوكيميا السريعة الحالية فحسب ، بل يوضح أيضًا جدوى التوسع في الكشف المبكر عن مجموعة واسعة من السرطانات باستخدام هذا الاختبار البسيط والمباشر.

تم تحليل الحمض النووي من عينات الدم من 31 مريضا باللوكيميا و 12 من الأفراد الأصحاء.كما هو مبين في مخطط الصندوق في الشكل 2 أ ، كان الامتصاص النسبي لعينات السرطان (ΔA650 / 525) أقل من الامتصاص النسبي للحمض النووي من العينات العادية.كان هذا يرجع بشكل أساسي إلى زيادة كره الماء مما أدى إلى تراكم كثيف للحمض النووي للسرطان ، مما منع تراكم الكيس / AuNPs.نتيجة لذلك ، تم تشتيت هذه الجسيمات النانوية بالكامل في الطبقات الخارجية من مجاميع السرطان ، مما أدى إلى تشتت مختلف من الكيس / AuNPs الممتصة على مجاميع الحمض النووي الطبيعية والسرطانية.تم بعد ذلك إنشاء منحنيات ROC عن طريق تغيير العتبة من قيمة دنيا تبلغ 650/525 إلى قيمة قصوى.

الشكل 2. (أ) قيم الامتصاص النسبية لحلول الكيس / AuNPs تظهر وجود الحمض النووي الطبيعي (الأزرق) والسرطان (الأحمر) في ظل الظروف المثلى

(DA650 / 525) 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 مبين في الشكل 2 ب ، أظهرت المنطقة الواقعة أسفل منحنى ROC (AUC = 0.9274) التي تم الحصول عليها للمستشعر المطور حساسية وخصوصية عالية.كما يتضح من مخطط الصندوق ، فإن أدنى نقطة تمثل مجموعة الحمض النووي الطبيعية ليست منفصلة جيدًا عن أعلى نقطة تمثل مجموعة الحمض النووي للسرطان ؛لذلك ، تم استخدام الانحدار اللوجستي للتمييز بين المجموعات الطبيعية والسرطانية.بالنظر إلى مجموعة من المتغيرات المستقلة ، فإنه يقدر احتمال وقوع حدث ، مثل السرطان أو المجموعة الطبيعية.يتراوح المتغير التابع بين 0 و 1. وبالتالي فإن النتيجة احتمالية.حددنا احتمال تحديد السرطان (P) بناءً على ΔA650 / 525 على النحو التالي.

حيث ب = 5.3533 ، ع 1 = -6.965.بالنسبة لتصنيف العينة ، يشير الاحتمال الأقل من 0.5 إلى عينة طبيعية ، بينما يشير الاحتمال البالغ 0.5 أو أعلى إلى عينة السرطان.يصور الشكل 2 ج مصفوفة الارتباك الناتجة عن التحقق المتبادل من عدمه ، والذي تم استخدامه للتحقق من استقرار طريقة التصنيف.يلخص الشكل 2 د تقييم الاختبار التشخيصي للطريقة ، بما في ذلك الحساسية والنوعية والقيمة التنبؤية الإيجابية (PPV) والقيمة التنبؤية السلبية (NPV).

أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على الهواتف الذكية

لمزيد من تبسيط اختبار العينة دون استخدام أجهزة قياس الطيف الضوئي ، استخدم الباحثون الذكاء الاصطناعي (AI) لتفسير لون المحلول والتمييز بين الأفراد الطبيعيين والسرطانيين.بالنظر إلى ذلك ، تم استخدام رؤية الكمبيوتر لترجمة لون محلول Cyst / AuNPs إلى حمض نووي طبيعي (أرجواني) أو DNA سرطاني (أحمر) باستخدام صور 96 لوحة جيدًا تم التقاطها من خلال كاميرا هاتف محمول.يمكن للذكاء الاصطناعي تقليل التكاليف وتحسين إمكانية الوصول في تفسير لون حلول الجسيمات النانوية ، وبدون استخدام أي ملحقات للأجهزة البصرية للهواتف الذكية.أخيرًا ، تم تدريب نموذجين للتعلم الآلي ، بما في ذلك Random Forest (RF) و Support Vector Machine (SVM) لبناء النماذج.صنف كلا النموذجين RF و SVM العينات بشكل صحيح على أنها إيجابية وسلبية بدقة 90.0 ٪.يشير هذا إلى أن استخدام الذكاء الاصطناعي في الاستشعار البيولوجي القائم على الهاتف المحمول أمر ممكن تمامًا.

الشكل 3. (أ) تسجيل الفئة المستهدفة من الحل أثناء تحضير العينة لخطوة الحصول على الصورة.(ب) مثال على الصورة التي تم التقاطها أثناء خطوة الحصول على الصورة.(ج) شدة اللون لمحلول الكيس / AuNPs في كل بئر من اللوحة 96 جيدًا المستخرجة من الصورة (ب).

باستخدام Cyst / AuNPs ، نجح الباحثون في تطوير منصة استشعار بسيطة للكشف عن المناظر الطبيعية للميثيل وجهاز استشعار قادر على التمييز بين الحمض النووي الطبيعي والحمض النووي للسرطان عند استخدام عينات دم حقيقية لفحص سرطان الدم.أظهر المستشعر المطور أن الحمض النووي المستخرج من عينات الدم الحقيقية كان قادرًا على الكشف السريع والفعال من حيث التكلفة عن كميات صغيرة من الحمض النووي للسرطان (3 نانومتر) في مرضى سرطان الدم في 15 دقيقة ، وأظهر دقة 95.3٪.لمزيد من تبسيط اختبار العينة من خلال التخلص من الحاجة إلى مقياس طيف ضوئي ، تم استخدام التعلم الآلي لتفسير لون المحلول والتمييز بين الأفراد العاديين والسرطانيين باستخدام صورة الهاتف المحمول ، كما أمكن تحقيق الدقة بنسبة 90.0٪.

المرجع: DOI: 10.1039 / d2ra05725e