การทดสอบ DNA methylation ร่วมกับสมาร์ทโฟนเพื่อตรวจคัดกรองเนื้องอกและมะเร็งเม็ดเลือดขาวระยะแรกด้วยความแม่นยำ 90.0%!

การตรวจหามะเร็งในระยะเริ่มต้นโดยใช้การตรวจชิ้นเนื้อของเหลวเป็นทิศทางใหม่ของการตรวจหาและวินิจฉัยมะเร็งที่เสนอโดยสถาบันมะเร็งแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยมีจุดประสงค์เพื่อตรวจหามะเร็งระยะแรกหรือแม้แต่รอยโรคในระยะก่อนเป็นมะเร็งมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะตัวบ่งชี้ทางชีวภาพแบบใหม่สำหรับการวินิจฉัยในระยะเริ่มต้นของมะเร็งหลายชนิด รวมถึงมะเร็งปอด เนื้องอกในทางเดินอาหาร เนื้องอกในต่อมน้ำเหลือง และเนื้องอกทางนรีเวช

การเกิดขึ้นของแพลตฟอร์มเพื่อระบุตัวบ่งชี้ทางชีวภาพของเมทิลเลชั่นภูมิ (Methylscape) มีศักยภาพในการปรับปรุงการตรวจคัดกรองมะเร็งระยะแรกที่มีอยู่อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้ผู้ป่วยอยู่ในระยะแรกสุดที่สามารถรักษาได้

เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิจัยได้พัฒนาแพลตฟอร์มการตรวจจับที่เรียบง่ายและตรงไปตรงมาสำหรับการตรวจจับภูมิทัศน์ของเมทิลเลชัน โดยอิงจากอนุภาคนาโนทองคำที่ตกแต่งด้วยซีสเตียมีน (Cyst/AuNPs) ร่วมกับไบโอเซ็นเซอร์บนสมาร์ทโฟน ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจคัดกรองเนื้องอกหลากหลายชนิดได้อย่างรวดเร็วตั้งแต่เนิ่นๆการตรวจคัดกรองมะเร็งเม็ดเลือดขาวในระยะเริ่มต้นสามารถทำได้ภายใน 15 นาทีหลังการสกัดดีเอ็นเอจากตัวอย่างเลือด โดยมีความแม่นยำ 90.0%ชื่อบทความคือการตรวจหา DNA ของมะเร็งในเลือดมนุษย์อย่างรวดเร็วโดยใช้ AuNP ที่มีซิสเทอมีนและสมาร์ทโฟนที่เปิดใช้งานแมชชีนเลิร์นนิง

รูปที่ 1 แพลตฟอร์มตรวจจับที่ง่ายและรวดเร็วสำหรับการตรวจคัดกรองมะเร็งผ่านส่วนประกอบ Cyst/AuNPs สามารถทำได้ในสองขั้นตอนง่ายๆ

สิ่งนี้แสดงในรูปที่ 1 ขั้นแรก สารละลายที่เป็นน้ำถูกใช้เพื่อละลายชิ้นส่วนดีเอ็นเอจากนั้นเติม Cyst/AuNPs ลงในสารละลายผสมDNA ธรรมดาและร้ายมีคุณสมบัติเมทิลเลชันต่างกัน ส่งผลให้ชิ้นส่วน DNA มีรูปแบบการประกอบตัวเองต่างกันDNA ปกติรวมตัวกันอย่างหลวมๆ และในที่สุดก็รวม Cyst/AuNPs ซึ่งส่งผลให้ธรรมชาติของ Cyst/AuNPs เปลี่ยนเป็นสีแดง ดังนั้นจึงสามารถสังเกตการเปลี่ยนสีจากสีแดงเป็นสีม่วงได้ด้วยตาเปล่าในทางตรงกันข้าม โปรไฟล์เมทิลเลชั่นที่เป็นเอกลักษณ์ของ DNA มะเร็งนำไปสู่การผลิตกลุ่มชิ้นส่วน DNA ที่ใหญ่ขึ้น

ภาพของเพลต 96 หลุมถูกถ่ายโดยใช้กล้องสมาร์ทโฟนDNA ของมะเร็งถูกวัดโดยสมาร์ทโฟนที่มีการเรียนรู้ของเครื่องเปรียบเทียบกับวิธีที่ใช้สเปกโทรสโกปี

การตรวจมะเร็งด้วยตัวอย่างเลือดจริง

เพื่อขยายประโยชน์ของแพลตฟอร์มการตรวจจับ ผู้ตรวจสอบได้ใช้เซ็นเซอร์ที่สามารถแยกความแตกต่างระหว่าง DNA ปกติและมะเร็งในตัวอย่างเลือดจริงได้สำเร็จรูปแบบเมทิลเลชั่นที่ไซต์ CpG ควบคุมการแสดงออกของยีนแบบ epigeneticallyในมะเร็งเกือบทุกชนิด การเปลี่ยนแปลงใน DNA methylation และดังนั้นในการแสดงออกของยีนที่ส่งเสริมการสร้างเนื้องอกได้รับการสังเกตสลับกัน

เพื่อเป็นต้นแบบสำหรับมะเร็งชนิดอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับ DNA methylation นักวิจัยใช้ตัวอย่างเลือดจากผู้ป่วยมะเร็งเม็ดเลือดขาวและกลุ่มควบคุมสุขภาพเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของแนว methylation ในการแยกแยะมะเร็งเม็ดเลือดขาวตัวบ่งชี้ทางชีวภาพของภูมิเมทิลเลชันนี้ไม่เพียงมีประสิทธิภาพดีกว่าวิธีการตรวจคัดกรองมะเร็งเม็ดเลือดขาวอย่างรวดเร็วที่มีอยู่ แต่ยังแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการขยายไปสู่การตรวจหามะเร็งชนิดต่างๆ ในระยะเริ่มต้นโดยใช้การทดสอบที่เรียบง่ายและตรงไปตรงมานี้

วิเคราะห์ดีเอ็นเอจากตัวอย่างเลือดของผู้ป่วยมะเร็งเม็ดเลือดขาว 31 ราย และบุคคลที่มีสุขภาพดี 12 รายดังที่แสดงในรูปที่ 2a ค่าการดูดกลืนแสงสัมพัทธ์ของตัวอย่างมะเร็ง (ΔA650/525) ต่ำกว่าค่า DNA จากตัวอย่างปกติสาเหตุหลักมาจากความสามารถในการไม่ชอบน้ำที่เพิ่มขึ้นซึ่งนำไปสู่การรวมตัวหนาแน่นของ DNA มะเร็ง ซึ่งขัดขวางการรวมตัวของ Cyst/AuNPsเป็นผลให้อนุภาคนาโนเหล่านี้กระจายตัวอย่างสมบูรณ์ในชั้นนอกของมวลรวมมะเร็ง ซึ่งส่งผลให้มีการกระจายตัวที่แตกต่างกันของ Cyst/AuNPs ที่ดูดซับบนมวลรวม DNA ปกติและมะเร็งจากนั้นสร้างเส้นโค้ง ROC โดยเปลี่ยนเกณฑ์จากค่าต่ำสุดที่ ΔA650/525 เป็นค่าสูงสุด

รูปที่ 2.(a) ค่าการดูดกลืนแสงสัมพัทธ์ของสารละลายซีสต์/AuNPs แสดงการมีอยู่ของดีเอ็นเอปกติ (สีน้ำเงิน) และมะเร็ง (สีแดง) ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด

(DA650/525) ของบ็อกซ์แปลง;(b) การวิเคราะห์ ROC และการประเมินการทดสอบวินิจฉัย(c) เมทริกซ์ความสับสนสำหรับการวินิจฉัยผู้ป่วยปกติและผู้ป่วยมะเร็ง(d) ความไว ความจำเพาะ ค่าทำนายผลบวก (PPV) ค่าทำนายผลลบ (NPV) และความแม่นยำของวิธีการที่พัฒนาขึ้น

ดังแสดงในรูปที่ 2b พื้นที่ใต้เส้นโค้ง ROC (AUC = 0.9274) ที่ได้รับสำหรับเซ็นเซอร์ที่พัฒนาขึ้นมีความไวและความจำเพาะสูงดังที่เห็นได้จากโครงเรื่อง จุดต่ำสุดที่แสดงถึงกลุ่ม DNA ปกตินั้นไม่ได้ถูกแยกออกจากจุดสูงสุดที่เป็นตัวแทนของกลุ่ม DNA ของมะเร็งดังนั้นจึงใช้การถดถอยโลจิสติกเพื่อแยกความแตกต่างระหว่างกลุ่มปกติและกลุ่มมะเร็งด้วยชุดของตัวแปรอิสระ จะประมาณความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น เช่น มะเร็งหรือกลุ่มปกติตัวแปรตามจะอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 ผลลัพธ์ที่ได้จึงเป็นความน่าจะเป็นเราพิจารณาความน่าจะเป็นของการระบุมะเร็ง (P) ตาม ΔA650/525 ดังนี้

โดยที่ b=5.3533,w1=-6.965.สำหรับการจำแนกประเภทตัวอย่าง ความน่าจะเป็นที่น้อยกว่า 0.5 แสดงว่าเป็นตัวอย่างปกติ ในขณะที่ความน่าจะเป็นที่ 0.5 หรือสูงกว่าบ่งชี้ว่าเป็นตัวอย่างมะเร็งรูปที่ 2c แสดงเมทริกซ์ความสับสนที่สร้างขึ้นจากการตรวจสอบข้ามแบบปล่อยให้อยู่คนเดียว ซึ่งใช้เพื่อตรวจสอบความเสถียรของวิธีการจำแนกประเภทรูปที่ 2d สรุปการประเมินการทดสอบการวินิจฉัยของวิธีการ รวมถึงความไว ความจำเพาะ ค่าทำนายผลบวก (PPV) และค่าทำนายผลลบ (NPV)

ไบโอเซนเซอร์บนสมาร์ทโฟน

เพื่อทำให้การทดสอบตัวอย่างง่ายขึ้นโดยไม่ต้องใช้เครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ นักวิจัยได้ใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) เพื่อตีความสีของสารละลายและแยกความแตกต่างระหว่างบุคคลปกติและมะเร็งด้วยเหตุนี้ การมองเห็นด้วยคอมพิวเตอร์จึงถูกนำมาใช้เพื่อแปลสีของสารละลาย Cyst/AuNPs ให้เป็น DNA ปกติ (สีม่วง) หรือ DNA ที่เป็นมะเร็ง (สีแดง) โดยใช้ภาพของเพลต 96 หลุมที่ถ่ายผ่านกล้องโทรศัพท์มือถือปัญญาประดิษฐ์สามารถลดค่าใช้จ่ายและปรับปรุงการเข้าถึงในการตีความสีของโซลูชันอนุภาคนาโน และไม่ต้องใช้อุปกรณ์เสริมสมาร์ทโฟนฮาร์ดแวร์ออปติคัลใดๆในที่สุด โมเดลแมชชีนเลิร์นนิง 2 โมเดล ได้แก่ Random Forest (RF) และ Support Vector Machine (SVM) ได้รับการฝึกเพื่อสร้างโมเดลทั้งแบบจำลอง RF และ SVM จำแนกตัวอย่างเป็นบวกและลบอย่างถูกต้องด้วยความแม่นยำ 90.0%สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าการใช้ปัญญาประดิษฐ์ในการตรวจวัดทางชีวภาพบนโทรศัพท์มือถือเป็นไปได้ค่อนข้างมาก

รูปที่ 3.(a) คลาสเป้าหมายของโซลูชันที่บันทึกระหว่างการเตรียมตัวอย่างสำหรับขั้นตอนการรับภาพ(b) ตัวอย่างภาพที่ถ่ายระหว่างขั้นตอนการรับภาพ(c) ความเข้มสีของสารละลาย cyst/AuNPs ในแต่ละหลุมของเพลต 96 หลุมที่ดึงออกมาจากภาพ (b)

การใช้ Cyst/AuNPs ทำให้นักวิจัยประสบความสำเร็จในการพัฒนาแพลตฟอร์มการตรวจจับอย่างง่ายสำหรับการตรวจจับภูมิเมทิลเลชัน และเซ็นเซอร์ที่สามารถแยกความแตกต่างของ DNA ปกติจาก DNA ของมะเร็ง เมื่อใช้ตัวอย่างเลือดจริงสำหรับการตรวจคัดกรองมะเร็งเม็ดเลือดขาวเซ็นเซอร์ที่พัฒนาขึ้นแสดงให้เห็นว่า DNA ที่สกัดจากตัวอย่างเลือดจริงสามารถตรวจหา DNA ของมะเร็งจำนวนเล็กน้อย (3nM) ในผู้ป่วยมะเร็งเม็ดเลือดขาวได้อย่างรวดเร็วและคุ้มค่าในเวลา 15 นาที และมีความแม่นยำถึง 95.3%เพื่อทำให้การทดสอบตัวอย่างง่ายขึ้นโดยขจัดความจำเป็นในการใช้เครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ การเรียนรู้ของเครื่องจึงถูกนำมาใช้เพื่อตีความสีของสารละลายและแยกความแตกต่างระหว่างบุคคลปกติและมะเร็งโดยใช้ภาพถ่ายจากโทรศัพท์มือถือ และความแม่นยำก็สามารถทำได้ที่ 90.0%

อ้างอิง: DOI: 10.1039/d2ra05725e