Nieuwe duurzame diagnostische aanpak biedt nauwkeurige kankertests met minimale impact op het milieu

Nieuwe duurzame diagnostische aanpak biedt nauwkeurige kankertests met minimale impact op het milieu

In een recent onderzoek in Nature Sustainability beschrijven onderzoekers een diagnostische aanpak die gedroogde serumvlekken (DSS) combineert met nanodeeltjes-verbeterde laserdesorptie en ionisatie massaspectrometrie (NPELDI-MS) methoden voor nauwkeurige en kosteneffectieve kankerdetectie.

achtergrond

Meer dan een miljard mensen wereldwijd hebben de diagnose van de ziekte gemist, wat de behoefte aan betrouwbaardere en kosteneffectievere diagnostische methoden onderstreept. Metabole diagnostiek heeft potentieel, maar wordt geconfronteerd met beperkingen vanwege het gebruik van biomonsters en analytische robuustheid.

Populatiegebaseerde diagnostiek verhoogt de overlevingskansen, minimaliseert de morbiditeit bij behandelingen en bespaart gezondheidszorgkosten, vooral voor ernstige ziekten en maligniteiten.

Het gebrek aan diagnostische faciliteiten in ontwikkelingslanden verhoogt het aantal niet-gedetecteerde gevallen. Massaspectrometrie is de meest gebruikte technologie voor metabolische diagnostiek op gedroogde plekken, maar vereist tijdrovende scheiding.

Over de studie

In de huidige studie ontwikkelden onderzoekers een gestandaardiseerde, op het metabolisme gerichte, op maat gemaakte therapeutische aanpak om de verkeerde diagnose van maagkanker (GC), colorectale kanker (CC) en pancreaskanker (PC) in arme landen te verminderen.

Onderzoekers gebruikten organische matrices zoals DHB en bouwden multiplex metabolische microarrays met ijzeren nanodeeltjes (NP's) om de detectieprestaties te verbeteren.

Voor de gevoeligheid verkregen ze unieke massaspectra met behulp van een conventionele metabolietcombinatie en bevestigden ze de grootte-afhankelijke invloed van ijzer-NP's op de directe metabolische extractie uit gecompliceerde biomonsters in termen van specificiteit.

Het team onderzocht of metabolieten geëxtraheerd uit gedroogde bloedvlekken (DSS's) nauwkeurig konden worden gekwantificeerd en geprofileerd met behulp van NPELDI MS. Ze pasten de serumhoeveelheden aan en maten het gebruikelijke massaspectrum van het DSS-extract om de doelmetabolieten te kwantificeren. Ze testten ook de lineariteitsfactor en het dynamische bereik van het NPELDI-MS-platform met fenylalanine.

Om de robuustheid van NPELDI-MS aan te tonen, voerden de onderzoekers gerichte kwantificering van aanvullende indicatormoleculen uit en vergeleken ze de spectrumconsistentie verkregen uit de gematchte DSS- en serummonsters.

Nadat ze de haalbaarheid van het gebruik van DSS bij metabole diagnostiek hadden aangetoond, onderzochten de onderzoekers de toepassing ervan op verschillende bloedmonsters voor ongerichte profilering en gerichte kwantificering op basis van opslagomstandigheden en punch-locaties.

Onderzoekers gebruikten NPELDI MS om kankergevallen te onderscheiden van gezonde donoren door niet-gerichte metabolische profielen van 180 DSS's te verzamelen. Ze ontwikkelden chemometrische modellen en classificatoren om de diagnostische prestaties te beoordelen.

Ze creëerden ook een schattingsmodel voor grootschalige bevolkingsonderzoek in een hypothetische gemeenschap van 100.000 mensen, met optische colonoscopie als basislijn. De onderzoekers verzamelden 245 serummonsters van verschillende kankergroepen.

Ze kenden cosinus-gelijkenisscores toe aan elke groep en ontwikkelden een theoretisch model op basis van 100.000 populaties om het percentage gemiste diagnoses te berekenen.

Resultaten

De NPELDI-MS-techniek maakt een snelle detectie van talrijke maligniteiten binnen enkele minuten mogelijk tegen minimale kosten, terwijl ze milieuvriendelijk, gebruiksvriendelijk en serum-equivalent in precisie is.

Het kan het voorspelde aandeel onopgemerkte CC-gevallen terugbrengen van 84% naar 29%, GC van 78% naar 57%, en PC van 35% naar 9,3%, voor een algehele reductie van 20% naar 55%. NPELDI-MS-metingen vertoonden lineaire correlaties met analytconcentraties, met een detectielimiet van slechts 0,1 μM.

De introductie van ijzeren nanodeeltjes maakte de effectieve adsorptie van metabolieten met een groot oppervlak van 79 m2/g mogelijk en bevorderde fotothermische desorpties door sterke UV-absorptie van 200 tot 500 nm en een hoge warmtecapaciteit van 653 J/kg/K.

De koolstofverdeling (in glucose) binnen de metabolische hybride tussen nanodeeltjes en nanodeeltjes toonde aan dat metabolieten bij voorkeur op deeltjesoppervlakken worden gevangen, in tegenstelling tot biomacromoleculen. Daarentegen vertoonden organische matrices geen voorkeur voor ionisatie of desorptie van andere metabolietmoleculen dan eiwitten.

Zelfs met behulp van de best-practice-aanpak voor monstervoorbereiding presteerden NPELDI-MS-gegevens beter dan MS-gegevens uit toegankelijke organische matrices. De onderzoekers ontdekten dat het gebruik van gouden of zilveren nanodeeltjes om vijf voorspellende metabolieten te identificeren, resulteerde in lagere MS-signaalintensiteiten dan ijzeren nanodeeltjes (≤11 maal hoger).

IJzer-NP's hebben een verminderde thermische geleidbaarheid van 3,50 W/m/K (317 W/m/K voor goud en 429 W/m/K voor zilver) vergeleken met metalen NP's, waardoor fotothermische metabolietendesorptie mogelijk is.

De studie toonde aan dat de detectie van kanker met behulp van DSS-metabolische profilering zeer herhaalbaar is, waarbij 84% van alle pieken intensiteit-CV's hebben van minder dan 15% voor detectie binnen de chip.

De onderzoekers ontdekten significante metabolische verschillen tussen ZvH-patiënten en verschillende kankergroepen, waarbij twee opwaarts gereguleerde en twee neerwaarts gereguleerde metabolieten werden waargenomen in DSS- en serummodellen.

De diagnostische effectiviteit van de nieuwe modellen was echter onvoldoende om kanker van de ziekte van Huntington te onderscheiden. Kalibratiecurven werden geconstrueerd door de intensiteitsverhoudingen van analyten te schatten en interne standaarden toe te voegen. Isotopenkwantificatie leverde een gemiddelde terugwinning op van 96% voor glucose en 104% voor lactaat, wat aantoont dat onderzoekers doelmetabolieten consistent kunnen kwantificeren.

Op basis van de onderzoeksresultaten kan de NPELDI-MS-techniek, die gebruik maakt van een consistente workflow en op papier gebaseerde DSS, de metabole diagnose op lange termijn van colon-, maag- en pancreasmaligniteiten verbeteren.

Deze strategie minimaliseert het aantal onopgemerkte incidenten en draagt ​​tegelijkertijd bij aan de duurzaamheid van de gezondheidszorg. Het platform maakt snelle, kosteneffectieve en betrouwbare kankerdetectie in enkele minuten mogelijk en is daarom geschikt voor grootschalige klinische toepassingen.

Van DSS afgeleide modellen presteren beter dan klinisch gevalideerde biomarkers bij het identificeren van kankerpatiënten met serum-equivalente precisie met behulp van metabole diagnostiek. Verder onderzoek zou deze strategie voor verschillende ziekten kunnen valideren en kosteneffectievere MS-platforms voor point-of-care-testen kunnen creëren.

Bronnen: