Nový udržitelný diagnostický přístup nabízí přesné testování rakoviny s minimálním dopadem na životní prostředí

Nový udržitelný diagnostický přístup nabízí přesné testování rakoviny s minimálním dopadem na životní prostředí

V nedávné studii v Nature Sustainability vědci popisují diagnostický přístup, který kombinuje suché sérové ​​skvrny (DSS) s metodami laserové desorpce a ionizační hmotnostní spektrometrie s nanočásticemi (NPELDI-MS) pro přesnou a nákladově efektivní detekci rakoviny.

pozadí

Více než miliarda lidí na celém světě zmeškala diagnózu onemocnění, což zdůrazňuje potřebu spolehlivějších a nákladově efektivnějších diagnostických metod. Metabolická diagnostika má potenciál, ale naráží na omezení kvůli použití biologických vzorků a analytické robustnosti.

Populační diagnostika zvyšuje míru přežití, minimalizuje morbiditu léčby a šetří náklady na zdravotní péči, zejména u závažných onemocnění a malignit.

Nedostatek diagnostických zařízení v rozvojových zemích zvyšuje počet neodhalených případů. Hmotnostní spektrometrie je nejběžněji používanou technologií pro metabolickou diagnostiku suchých skvrn, ale vyžaduje časově náročnou separaci.

O studiu

V této studii výzkumníci vyvinuli standardizovaný, na metabolismus zaměřený, přizpůsobený terapeutický přístup ke snížení chybné diagnózy rakoviny žaludku (GC), kolorektálního karcinomu (CC) a rakoviny slinivky (PC) v chudých zemích.

Výzkumníci použili organické matrice, jako je DHB, a postavili multiplexní metabolické mikročipy s nanočásticemi železa (NP) ke zvýšení výkonu detekce.

Pro senzitivitu získali unikátní hmotnostní spektra pomocí konvenční kombinace metabolitů a potvrdili velikostně závislý vliv železných NP na přímou metabolickou extrakci z komplikovaných biovzorků z hlediska specificity.

Tým zkoumal, zda lze metabolity extrahované ze sušených krevních skvrn (DSS) přesně kvantifikovat a profilovat pomocí NPELDI MS. Upravili množství séra a změřili obvyklé hmotnostní spektrum extraktu DSS, aby kvantifikovali cílové metabolity. Testovali také faktor linearity a dynamický rozsah platformy NPELDI-MS s fenylalaninem.

Aby vědci demonstrovali robustnost NPELDI-MS, provedli cílenou kvantifikaci dalších indikátorových molekul a porovnali konzistenci spektra získanou ze shodných vzorků DSS a séra.

Po prokázání proveditelnosti použití DSS v metabolické diagnostice vědci zkoumali jeho aplikaci na různé krevní vzorky pro necílené profilování a cílenou kvantifikaci na základě podmínek skladování a umístění děrovače.

Výzkumníci použili NPELDI MS k rozlišení případů rakoviny od zdravých dárců sběrem necílených metabolických profilů 180 DSS. Vyvinuli chemometrické modely a klasifikátory pro hodnocení diagnostického výkonu.

Vytvořili také odhadový model pro rozsáhlý populační screening v hypotetické komunitě 100 000 lidí používajících optickou kolonoskopii jako výchozí. Vědci shromáždili 245 vzorků séra z různých skupin rakoviny.

Každé skupině přidělili skóre kosinové podobnosti a vyvinuli teoretický model založený na 100 000 populacích pro výpočet míry zmeškané diagnózy.

Výsledky

Technika NPELDI-MS umožňuje rychlou detekci četných malignit během několika minut s minimálními náklady, přičemž je šetrná k životnímu prostředí, uživatelsky přívětivá a přesností ekvivalentní séru.

Dokáže snížit předpokládaný podíl nedetekovaných případů CC z 84 % na 29 %, GC ze 78 % na 57 % a PC z 35 % na 9,3 %, což vede k celkovému snížení z 20 % na 55 %. Hodnoty NPELDI-MS ukázaly lineární korelace s koncentracemi analytu, s limitem detekce jen 0,1 μM.

Zavedení nanočástic železa umožnilo efektivní adsorpci metabolitů s velkým povrchem 79 m2/g a podpořilo fototermální desorpce prostřednictvím silné UV absorpce od 200 do 500 nm a vysoké tepelné kapacity 653 J/kg/K.

Distribuce uhlíku (v glukóze) v metabolickém hybridu nanočástice-nanočástice ukázala, že metabolity jsou přednostně zachycovány na povrchu částic na rozdíl od biomakromolekul. Naproti tomu organické matrice nevykazovaly žádnou preferenci pro ionizaci nebo desorpci molekul metabolitů jiných než proteinů.

I při použití osvědčeného postupu přípravy vzorků data NPELDI-MS překonala MS data z dostupných organických matric. Vědci zjistili, že použití nanočástic zlata nebo stříbra k identifikaci pěti prediktorových metabolitů vedlo k nižší intenzitě signálu MS než nanočástice železa (≤11krát vyšší).

Železné NP mají sníženou tepelnou vodivost 3,50 W/m/K (317 W/m/K pro zlato a 429 W/m/K pro stříbro) ve srovnání s kovovými NP, což umožňuje fototermální desorpci metabolitů.

Studie ukázala, že detekce rakoviny pomocí metabolického profilování DSS je vysoce opakovatelná, přičemž 84 % všech píku má CV intenzity nižší než 15 % pro detekci uvnitř čipu.

Výzkumníci objevili významné metabolické rozdíly mezi HD pacienty a různými skupinami s rakovinou, přičemž dva upregulované a dva downregulované metabolity byly pozorovány u DSS a sérových modelů.

Diagnostická účinnost nových modelů však byla nedostatečná pro rozlišení rakoviny od Huntingtonovy choroby. Kalibrační křivky byly sestrojeny odhadem poměrů intenzity analytů a přidaných vnitřních standardů. Kvantifikace izotopů poskytla průměrnou výtěžnost 96 % pro glukózu a 104 % pro laktát, což dokazuje, že výzkumníci mohou konzistentně kvantifikovat cílové metabolity.

Na základě výsledků studie může technika NPELDI-MS, která využívá konzistentní pracovní postup a papírový DSS, zlepšit dlouhodobou metabolickou diagnostiku u malignit tlustého střeva, žaludku a pankreatu.

Tato strategie minimalizuje počet neodhalených incidentů a zároveň přispívá k udržitelnosti poskytování zdravotní péče. Platforma umožňuje rychlou, nákladově efektivní a spolehlivou detekci rakoviny během několika minut, a proto je vhodná pro rozsáhlé klinické aplikace.

Modely odvozené z DSS překonávají klinicky ověřené biomarkery při identifikaci pacientů s rakovinou s přesností ekvivalentní séru pomocí metabolické diagnostiky. Další výzkum by mohl potvrdit tuto strategii pro různé nemoci a vytvořit nákladově efektivnější platformy MS pro testování v místě péče.

Zdroje: