Novi održivi dijagnostički pristup nudi precizno testiranje raka uz minimalan utjecaj na okoliš

Novi održivi dijagnostički pristup nudi precizno testiranje raka uz minimalan utjecaj na okoliš

U nedavnoj studiji u časopisu Nature Sustainability, istraživači opisuju dijagnostički pristup koji kombinira osušene serumske mrlje (DSS) s laserskom desorpcijom poboljšanom nanočesticama i metodama ionizacijske masene spektrometrije (NPELDI-MS) za precizno i ​​isplativo otkrivanje raka.

pozadina

Više od jedne milijarde ljudi diljem svijeta propustilo je dijagnosticirati bolest, naglašavajući potrebu za pouzdanijim i troškovno učinkovitijim dijagnostičkim metodama. Metabolička dijagnostika ima potencijala, ali se suočava s ograničenjima zbog upotrebe biouzoraka i analitičke robusnosti.

Dijagnostika temeljena na populaciji povećava stope preživljavanja, minimizira morbiditet liječenja i štedi troškove zdravstvene skrbi, posebno za ozbiljne bolesti i zloćudne bolesti.

Nedostatak dijagnostičkih objekata u zemljama u razvoju povećava broj neotkrivenih slučajeva. Masena spektrometrija je najčešće korištena tehnologija za metaboličku dijagnostiku u osušenim mrljama, ali zahtijeva dugotrajno odvajanje.

O studiju

U ovoj studiji istraživači su razvili standardizirani terapijski pristup usmjeren na metabolizam za smanjenje pogrešnog dijagnosticiranja raka želuca (GC), kolorektalnog raka (CC) i raka gušterače (PC) u siromašnim zemljama.

Istraživači su koristili organske matrice kao što je DHB i izgradili multipleksirane metaboličke mikronizove s nanočesticama željeza (NP) kako bi povećali učinkovitost detekcije.

Za osjetljivost su dobili jedinstvene masene spektre korištenjem konvencionalne kombinacije metabolita i potvrdili utjecaj NP željeza ovisan o veličini na izravnu metaboličku ekstrakciju iz kompliciranih biouzoraka u smislu specifičnosti.

Tim je istražio mogu li se metaboliti ekstrahirani iz osušenih krvnih mrlja (DSS) točno kvantificirati i profilirati pomoću NPELDI MS. Prilagodili su količine seruma i izmjerili uobičajeni maseni spektar DSS ekstrakta kako bi kvantificirali ciljne metabolite. Također su testirali faktor linearnosti i dinamički raspon NPELDI-MS platforme s fenilalaninom.

Kako bi pokazali robusnost NPELDI-MS, istraživači su izvršili ciljanu kvantifikaciju dodatnih indikatorskih molekula i usporedili konzistentnost spektra dobivenu iz usklađenih DSS i uzoraka seruma.

Nakon demonstracije izvedivosti korištenja DSS-a u metaboličkoj dijagnostici, istraživači su istražili njegovu primjenu na različitim uzorcima krvi za neciljano profiliranje i ciljanu kvantifikaciju na temelju uvjeta skladištenja i mjesta bušenja.

Istraživači su koristili NPELDI MS za razlikovanje slučajeva raka od zdravih donora prikupljanjem neciljanih metaboličkih profila 180 DSS-ova. Razvili su kemometrijske modele i klasifikatore za procjenu dijagnostičke učinkovitosti.

Također su izradili model procjene za veliki populacijski probir u hipotetskoj zajednici od 100.000 ljudi koristeći optičku kolonoskopiju kao osnovnu vrijednost. Istraživači su prikupili 245 uzoraka seruma iz različitih skupina raka.

Dodijelili su kosinusne rezultate sličnosti svakoj skupini i razvili teorijski model temeljen na 100.000 populacija kako bi izračunali stopu propuštene dijagnoze.

Rezultati

Tehnika NPELDI-MS omogućuje brzo otkrivanje brojnih zloćudnih bolesti u roku od nekoliko minuta uz minimalne troškove, a istovremeno je ekološki prihvatljiva, laka za korištenje i jednaka preciznosti u serumu.

Može smanjiti predviđeni udio neotkrivenih slučajeva CC-a s 84% ​​na 29%, GC-a sa 78% na 57%, a PC-a s 35% na 9,3%, za ukupno smanjenje s 20% na 55%. NPELDI-MS očitanja pokazala su linearne korelacije s koncentracijama analita, s granicom detekcije od samo 0,1 μM.

Uvođenje nanočestica željeza omogućilo je učinkovitu adsorpciju metabolita s velikom površinom od 79 m2/g i pospješilo fototermalne desorpcije kroz jaku UV apsorpciju od 200 do 500 nm i visok toplinski kapacitet od 653 J/kg/K.

Raspodjela ugljika (u glukozi) unutar metaboličkog hibrida nanočestica-nanočestica pokazala je da su metaboliti preferirano zarobljeni na površini čestica za razliku od biomakromolekula. Nasuprot tome, organske matrice nisu pokazale sklonost ionizaciji ili desorpciji molekula metabolita osim proteina.

Čak i korištenjem pristupa pripreme uzorka prema najboljoj praksi, podaci NPELDI-MS nadmašili su MS podatke iz dostupnih organskih matrica. Istraživači su otkrili da je korištenje nanočestica zlata ili srebra za identifikaciju pet prediktorskih metabolita rezultiralo nižim intenzitetom MS signala od nanočestica željeza (≤11 puta više).

NP željeza imaju smanjenu toplinsku vodljivost od 3,50 W/m/K (317 W/m/K za zlato i 429 W/m/K za srebro) u usporedbi s metalnim NP, što omogućuje fototermalnu desorpciju metabolita.

Studija je pokazala da je otkrivanje raka pomoću DSS metaboličkog profiliranja vrlo ponovljivo, s 84% ​​svih vrhova koji imaju CV intenziteta manji od 15% za otkrivanje unutar čipa.

Istraživači su otkrili značajne metaboličke razlike između bolesnika s HD-om i različitih skupina raka, s dva pojačana i dva smanjena metabolita opažena u DSS i modelima seruma.

Međutim, dijagnostička učinkovitost novih modela bila je neadekvatna u razlikovanju raka od Huntingtonove bolesti. Kalibracijske krivulje konstruirane su procjenom omjera intenziteta analita i dodanih internih standarda. Kvantifikacija izotopa dala je prosječni oporavak od 96% za glukozu i 104% za laktat, pokazujući da istraživači mogu dosljedno kvantificirati ciljne metabolite.

Na temelju rezultata studije, tehnika NPELDI-MS, koja koristi konzistentan tijek rada i papirnati DSS, može poboljšati dugoročnu metaboličku dijagnozu zloćudnih bolesti debelog crijeva, želuca i gušterače.

Ova strategija smanjuje broj neotkrivenih incidenata dok pridonosi održivosti pružanja zdravstvene skrbi. Platforma omogućuje brzo, isplativo i pouzdano otkrivanje raka u nekoliko minuta te je stoga prikladna za velike kliničke primjene.

Modeli izvedeni iz DSS-a nadmašuju klinički potvrđene biomarkere u identificiranju pacijenata oboljelih od raka s preciznošću ekvivalentnom serumu pomoću metaboličke dijagnostike. Daljnja istraživanja mogla bi potvrditi ovu strategiju za različite bolesti i stvoriti isplativije MS platforme za testiranje na mjestu liječenja.

Izvori: