Upimaji wa methylation ya DNA pamoja na simu mahiri kwa ajili ya uchunguzi wa mapema wa uvimbe na uchunguzi wa leukemia kwa usahihi wa 90.0%!

Kugundua saratani mapema kulingana na biopsy ya kioevu ni mwelekeo mpya wa kugundua na kugundua saratani uliopendekezwa na Taasisi ya Kitaifa ya Saratani ya Marekani katika miaka ya hivi karibuni, kwa lengo la kugundua saratani ya mapema au hata vidonda vya kabla ya saratani. Imetumika sana kama alama mpya ya uchunguzi wa mapema wa saratani mbalimbali, ikiwa ni pamoja na saratani ya mapafu, uvimbe wa utumbo, glioma na uvimbe wa wanawake.

Kuibuka kwa majukwaa ya kutambua alama za kibiolojia za mandhari ya methylation (Methylscape) kuna uwezo wa kuboresha kwa kiasi kikubwa uchunguzi wa mapema wa saratani uliopo, na kuwaweka wagonjwa katika hatua za mapema zaidi zinazoweza kutibiwa.

Hivi majuzi, watafiti wameunda jukwaa rahisi na la moja kwa moja la kugundua mazingira ya methylation kulingana na chembe chembe za dhahabu zilizopambwa kwa cysteamine (Cyst/AuNPs) pamoja na kihisi cha kibiolojia kinachotumia simu mahiri ambacho huwezesha uchunguzi wa haraka wa mapema wa aina mbalimbali za uvimbe. Uchunguzi wa mapema wa leukaemia unaweza kufanywa ndani ya dakika 15 baada ya kutolewa kwa DNA kutoka kwa sampuli ya damu, kwa usahihi wa 90.0%. Kichwa cha makala ni Ugunduzi wa haraka wa DNA ya saratani katika damu ya binadamu kwa kutumia AuNPs zilizofunikwa na cysteamine na simu mahiri inayowezeshwa na mashine kujifunza.

Mchoro 1. Jukwaa rahisi na la haraka la kuhisi saratani kupitia vipengele vya Cyst/AuNPs linaweza kufanywa kwa hatua mbili rahisi.

Hii inaonyeshwa kwenye Mchoro 1. Kwanza, myeyusho wa maji ulitumika kuyeyusha vipande vya DNA. Cyst/AuNPs ziliongezwa kwenye myeyusho mchanganyiko. DNA ya kawaida na mbaya zina sifa tofauti za methylation, na kusababisha vipande vya DNA vyenye mifumo tofauti ya kujikusanya. DNA ya kawaida hukusanyika kwa ulegevu na hatimaye hukusanya Cyst/AuNPs, ambayo husababisha asili ya mabadiliko ya nyekundu ya Cyst/AuNPs, ili mabadiliko ya rangi kutoka nyekundu hadi zambarau yaweze kuzingatiwa kwa jicho uchi. Kwa upande mwingine, wasifu wa kipekee wa methylation wa DNA ya saratani husababisha uzalishaji wa makundi makubwa ya vipande vya DNA.

Picha za sahani zenye visima 96 zilipigwa kwa kutumia kamera ya simu mahiri. DNA ya saratani ilipimwa kwa simu mahiri yenye vifaa vya kujifunza kwa mashine ikilinganishwa na mbinu zinazotegemea spektroscopy.

Uchunguzi wa saratani katika sampuli halisi za damu

Ili kupanua matumizi ya mfumo wa kuhisi, wachunguzi walitumia kitambuzi ambacho kilifanikiwa kutofautisha kati ya DNA ya kawaida na saratani katika sampuli halisi za damu. Mifumo ya methylation katika maeneo ya CpG hudhibiti usemi wa jeni kiepijeni. Karibu katika aina zote za saratani, mabadiliko katika methylation ya DNA na hivyo katika usemi wa jeni zinazokuza uundaji wa uvimbe yameonekana kubadilika.

Kama mfano wa saratani zingine zinazohusiana na methylation ya DNA, watafiti walitumia sampuli za damu kutoka kwa wagonjwa wa leukaemia na vidhibiti vyenye afya kuchunguza ufanisi wa mandhari ya methylation katika kutofautisha saratani ya leukaemia. Kiashiria hiki cha mandhari ya methylation sio tu kwamba kinazidi mbinu zilizopo za uchunguzi wa haraka wa leukaemia, lakini pia kinaonyesha uwezekano wa kupanua hadi kugundua mapema aina mbalimbali za saratani kwa kutumia jaribio hili rahisi na rahisi.

DNA kutoka kwa sampuli za damu kutoka kwa wagonjwa 31 wa leukemia na watu 12 wenye afya njema ilichambuliwa. Kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro wa kisanduku katika Mchoro 2a, ufyonzaji wa sampuli za saratani (ΔA650/525) ulikuwa chini kuliko ule wa DNA kutoka kwa sampuli za kawaida. Hii ilitokana hasa na kuongezeka kwa uozo wa maji na kusababisha mkusanyiko mzito wa DNA ya saratani, ambayo ilizuia mkusanyiko wa Cyst/AuNPs. Matokeo yake, chembechembe hizi ndogo zilitawanyika kabisa katika tabaka za nje za mkusanyiko wa saratani, ambayo ilisababisha mtawanyiko tofauti wa Cyst/AuNPs zilizoingizwa kwenye mkusanyiko wa DNA ya kawaida na saratani. Mikunjo ya ROC kisha ilizalishwa kwa kubadilisha kizingiti kutoka thamani ya chini ya ΔA650/525 hadi thamani ya juu zaidi.

Mchoro 2.(a) Thamani za ufyonzaji wa myeyusho wa cyst/AuNPs zinazoonyesha uwepo wa DNA ya kawaida (bluu) na saratani (nyekundu) chini ya hali zilizoboreshwa.

(DA650/525) ya viwanja vya kisanduku; (b) Uchambuzi na tathmini ya ROC ya vipimo vya uchunguzi. (c) Jedwali la mkanganyiko kwa ajili ya utambuzi wa wagonjwa wa kawaida na wa saratani. (d) Unyeti, umahususi, thamani chanya ya utabiri (PPV), thamani hasi ya utabiri (NPV) na usahihi wa njia iliyotengenezwa.

Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2b, eneo lililo chini ya mkunjo wa ROC (AUC = 0.9274) lililopatikana kwa ajili ya kitambuzi kilichotengenezwa lilionyesha unyeti na umahususi wa hali ya juu. Kama inavyoonekana kutoka kwenye mchoro wa kisanduku, sehemu ya chini kabisa inayowakilisha kundi la kawaida la DNA haijatenganishwa vizuri na sehemu ya juu zaidi inayowakilisha kundi la DNA la saratani; kwa hivyo, urejeshaji wa vifaa ulitumika kutofautisha kati ya vikundi vya kawaida na saratani. Kwa kuzingatia seti ya vigezo huru, inakadiria uwezekano wa tukio kutokea, kama vile saratani au kundi la kawaida. Vigezo tegemezi ni kati ya 0 na 1. Kwa hivyo matokeo ni uwezekano. Tuliamua uwezekano wa utambuzi wa saratani (P) kulingana na ΔA650/525 kama ifuatavyo.

ambapo b=5.3533,w1=-6.965. Kwa uainishaji wa sampuli, uwezekano wa chini ya 0.5 unaonyesha sampuli ya kawaida, huku uwezekano wa 0.5 au zaidi unaonyesha sampuli ya saratani. Mchoro 2c unaonyesha matrix ya mkanganyiko inayotokana na uthibitisho mtambuka wa kuondoka peke yake, ambao ulitumika kuthibitisha uthabiti wa mbinu ya uainishaji. Mchoro 2d unatoa muhtasari wa tathmini ya kipimo cha utambuzi wa mbinu hiyo, ikijumuisha unyeti, umaalum, thamani chanya ya utabiri (PPV) na thamani hasi ya utabiri (NPV).

Vihisi vya kibiolojia vinavyotumia simu mahiri

Ili kurahisisha zaidi upimaji wa sampuli bila kutumia spectrophotomita, watafiti walitumia akili bandia (AI) kutafsiri rangi ya suluhisho na kutofautisha kati ya watu wa kawaida na wenye saratani. Kwa kuzingatia hili, maono ya kompyuta yalitumika kutafsiri rangi ya suluhisho la Cyst/AuNPs kuwa DNA ya kawaida (zambarau) au DNA ya saratani (nyekundu) kwa kutumia picha za sahani za visima 96 zilizochukuliwa kupitia kamera ya simu ya mkononi. Akili bandia inaweza kupunguza gharama na kuboresha upatikanaji katika kutafsiri rangi ya suluhisho za nanochembe, na bila kutumia vifaa vyovyote vya vifaa vya macho vya simu mahiri. Hatimaye, mifumo miwili ya kujifunza kwa mashine, ikiwa ni pamoja na Random Forest (RF) na Support Vector Machine (SVM) ilifunzwa kutengeneza mifumo hiyo. Mifumo ya RF na SVM iliainisha kwa usahihi sampuli hizo kama chanya na hasi kwa usahihi wa 90.0%. Hii inaonyesha kwamba matumizi ya akili bandia katika biosensing inayotegemea simu ya mkononi inawezekana kabisa.

Mchoro 3.(a) Darasa lengwa la myeyusho uliorekodiwa wakati wa maandalizi ya sampuli kwa hatua ya kupata picha. (b) Mfano wa picha iliyochukuliwa wakati wa hatua ya kupata picha. (c) Kiwango cha rangi ya myeyusho wa uvimbe/AuNPs katika kila kisima cha bamba la visima 96 lililotolewa kutoka kwenye picha (b).

Kwa kutumia Cyst/AuNPs, watafiti wamefanikiwa kutengeneza jukwaa rahisi la kuhisi kwa ajili ya kugundua mandhari ya methylation na kitambuzi chenye uwezo wa kutofautisha DNA ya kawaida kutoka kwa DNA ya saratani wanapotumia sampuli halisi za damu kwa ajili ya uchunguzi wa leukaemia. Kitambuzi kilichotengenezwa kilionyesha kuwa DNA iliyotolewa kutoka kwa sampuli halisi za damu iliweza kugundua kwa haraka na kwa gharama nafuu kiasi kidogo cha DNA ya saratani (3nM) kwa wagonjwa wa leukaemia katika dakika 15, na ilionyesha usahihi wa 95.3%. Ili kurahisisha zaidi upimaji wa sampuli kwa kuondoa hitaji la spectrophotometer, ujifunzaji wa mashine ulitumika kutafsiri rangi ya suluhisho na kutofautisha kati ya watu wa kawaida na wenye saratani kwa kutumia picha ya simu ya mkononi, na usahihi pia uliweza kupatikana kwa 90.0%.

Marejeleo: DOI: 10.1039/d2ra05725e