Ny bæredygtig diagnostisk tilgang tilbyder præcis kræfttestning med minimal miljøpåvirkning

Ny bæredygtig diagnostisk tilgang tilbyder præcis kræfttestning med minimal miljøpåvirkning

I en nylig undersøgelse i Nature Sustainability beskriver forskere en diagnostisk tilgang, der kombinerer tørrede serumpletter (DSS) med nanopartikelforstærkede laserdesorptions- og ioniseringsmassespektrometri (NPELDI-MS) metoder til nøjagtig og omkostningseffektiv kræftdetektion.

baggrund

Mere end en milliard mennesker verden over har savnet sygdomsdiagnose, hvilket understreger behovet for mere pålidelige og omkostningseffektive diagnostiske metoder. Metabolisk diagnostik har potentiale, men står over for begrænsninger på grund af brugen af ​​bioprøver og analytisk robusthed.

Befolkningsbaseret diagnostik øger overlevelsesraten, minimerer behandlingssygeligheder og sparer udgifter til sundhedspleje, især for alvorlige sygdomme og maligniteter.

Manglen på diagnostiske faciliteter i udviklingslandene øger antallet af uopdagede tilfælde. Massespektrometri er den mest anvendte teknologi til metabolisk diagnostik i tørrede pletter, men kræver tidskrævende adskillelse.

Om studiet

I denne undersøgelse udviklede forskere en standardiseret, metabolisme-målrettet, skræddersyet terapeutisk tilgang til at reducere fejldiagnosticering af mavekræft (GC), kolorektal cancer (CC) og bugspytkirtelkræft (PC) i fattige lande.

Forskere brugte organiske matricer såsom DHB og byggede multipleksede metaboliske mikroarrays med jernnanopartikler (NP'er) for at øge detektionsydelsen.

For følsomhed erhvervede de unikke massespektre ved hjælp af en konventionel metabolitkombination og bekræftede den størrelsesafhængige indflydelse af jern-NP'er på direkte metabolisk ekstraktion fra komplicerede bioprøver med hensyn til specificitet.

Holdet undersøgte, om metabolitter ekstraheret fra tørrede blodpletter (DSS'er) kunne kvantificeres nøjagtigt og profileres ved hjælp af NPELDI MS. De justerede serummængderne og målte det sædvanlige massespektrum af DSS-ekstraktet for at kvantificere målmetabolitterne. De testede også linearitetsfaktoren og det dynamiske område af NPELDI-MS platformen med phenylalanin.

For at demonstrere robustheden af ​​NPELDI-MS udførte forskerne målrettet kvantificering af yderligere indikatormolekyler og sammenlignede spektrumkonsistensen opnået fra de matchede DSS- og serumprøver.

Efter at have demonstreret gennemførligheden af ​​at bruge DSS i metabolisk diagnostik, undersøgte forskerne dets anvendelse på forskellige blodprøver til umålrettet profilering og målrettet kvantificering baseret på opbevaringsforhold og punch-steder.

Forskere brugte NPELDI MS til at skelne kræfttilfælde fra raske donorer ved at indsamle umålrettede metaboliske profiler af 180 DSS'er. De udviklede kemometriske modeller og klassifikatorer til at vurdere diagnostisk ydeevne.

De skabte også en estimeringsmodel for storskala befolkningsbaseret screening i et hypotetisk samfund på 100.000 mennesker, der bruger optisk koloskopi som baseline. Forskerne indsamlede 245 serumprøver fra forskellige kræftgrupper.

De tildelte cosinus-lighedsscore til hver gruppe og udviklede en teoretisk model baseret på 100.000 populationer for at beregne antallet af ubesvarede diagnoser.

Resultater

NPELDI-MS-teknikken muliggør hurtig påvisning af adskillige maligniteter inden for få minutter til minimale omkostninger, samtidig med at den er miljøvenlig, brugervenlig og serumækvivalent i præcision.

Det kan reducere den forudsagte andel af uopdagede CC-tilfælde fra 84 % til 29 %, GC fra 78 % til 57 % og PC fra 35 % til 9,3 %, for en samlet reduktion fra 20 % til 55 %. NPELDI-MS-aflæsninger viste lineære korrelationer med analytkoncentrationer, med en detektionsgrænse så lav som 0,1 μM.

Introduktionen af ​​jernnanopartikler muliggjorde effektiv adsorption af metabolitter med et stort overfladeareal på 79 m2/g og fremmede fototermiske desorptioner gennem stærk UV-absorption fra 200 til 500 nm og en høj varmekapacitet på 653 J/kg/K.

Kulstoffordelingen (i glukose) i den metaboliske hybrid nanopartikel-nanopartikel viste, at metabolitter fortrinsvis fanges på partikeloverflader i modsætning til biomakromolekyler. I modsætning hertil viste organiske matricer ingen præference for ionisering eller desorption af andre metabolitmolekyler end proteiner.

Selv ved at bruge best-practice prøveforberedelsesmetoden overgik NPELDI-MS-data MS-data fra tilgængelige organiske matricer. Forskerne fandt ud af, at brug af guld- eller sølvnanopartikler til at identificere fem prædiktormetabolitter resulterede i lavere MS-signalintensiteter end jernnanopartikler (≤11 gange højere).

Jern-NP'er har en reduceret termisk ledningsevne på 3,50 W/m/K (317 W/m/K for guld og 429 W/m/K for sølv) sammenlignet med metal-NP'er, hvilket muliggør fototermisk metabolitdesorption.

Undersøgelsen viste, at cancerdetektion ved hjælp af DSS metabolisk profilering er meget gentagelig, hvor 84% af alle toppe har intensitets-CV'er på mindre end 15% til intra-chip-detektion.

Forskerne opdagede signifikante metaboliske forskelle mellem HS-patienter og forskellige cancergrupper, med to opregulerede og to nedregulerede metabolitter observeret i DSS- og serummodeller.

Den diagnostiske effektivitet af de nye modeller var imidlertid utilstrækkelig til at skelne kræft fra Huntingtons sygdom. Kalibreringskurver blev konstrueret ved at estimere intensitetsforholdene for analytter og tilsatte interne standarder. Isotopkvantificering gav en gennemsnitlig genvinding på 96 % for glukose og 104 % for lactat, hvilket viser, at forskere konsekvent kan kvantificere målmetabolitter.

Baseret på undersøgelsesresultaterne kan NPELDI-MS-teknikken, som bruger en konsistent arbejdsgang og papirbaseret DSS, forbedre langsigtet metabolisk diagnose i tyktarms-, mave- og bugspytkirtel maligniteter.

Denne strategi minimerer antallet af uopdagede hændelser, samtidig med at den bidrager til bæredygtigheden af ​​leveringen af ​​sundhedsydelser. Platformen muliggør hurtig, omkostningseffektiv og pålidelig kræftdetektion på få minutter og er derfor velegnet til kliniske anvendelser i stor skala.

DSS-afledte modeller udkonkurrerer klinisk validerede biomarkører ved at identificere cancerpatienter med serumækvivalent præcision ved hjælp af metabolisk diagnostik. Yderligere forskning kunne validere denne strategi for forskellige sygdomme og skabe mere omkostningseffektive MS-platforme til point-of-care test.

Kilder: