Individuazione precoce del cancro ai polmoni mediante l’intelligenza artificiale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13702 (2023) Citare questo articolo

423 accessi

5 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

La struttura della cromatina sopranucleosomale, inclusa la conformazione del dominio della cromatina, è coinvolta nella regolazione dell'espressione genica e la sua disregolazione è stata associata alla carcinogenesi. Studi precedenti hanno dimostrato che le cellule della mucosa buccale portano una firma molecolare del cancro ai polmoni tra la popolazione di fumatori di sigarette, il fenomeno noto come carcinogenesi sul campo o campo di lesione. Pertanto, abbiamo ipotizzato che i cambiamenti strutturali della cromatina nella mucosa buccale possano essere predittivi del cancro del polmone. Tuttavia, le piccole dimensioni della catena della cromatina (circa 20 nm) ripiegata nei domini di impaccamento della cromatina, essi stessi tipicamente inferiori a 300 nm di diametro, precludono il rilevamento di alterazioni nella conformazione della cromatina intradominio utilizzando la microscopia ottica a diffrazione limitata. In questo studio, abbiamo sviluppato una tecnica di nanosensing statistico spettroscopico ottico per rilevare i cambiamenti del dominio di impaccamento della cromatina nella mucosa buccale come biomarcatore del cancro del polmone: microscopia spettroscopica a onda parziale sensibile alla cromatina (csPWS). L'intelligenza artificiale (AI) è stata applicata alle misurazioni csPWS delle alterazioni della cromatina per migliorare le prestazioni diagnostiche. La nostra nanocitologia csPWS buccale potenziata dall'intelligenza artificiale di 179 pazienti in due centri clinici ha distinto il cancro polmonare in stadio I rispetto ai controlli liberi da cancro con un'area sotto la curva ROC (AUC) di 0,92 ± 0,06 per il sito 1 (posizione nello stato) e 0,82 ± 0,11 per il Sito 2 (ubicazione fuori dallo stato).

I test di screening del cancro dovrebbero, idealmente, identificare il cancro prima che compaiano i sintomi e mentre il tumore è piccolo, al fine di aumentare efficacemente le possibilità di trattamento e ridurre la mortalità. Il cancro del polmone è la principale causa di morte per cancro indipendentemente dalla razza e dal sesso negli Stati Uniti, con un tasso di sopravvivenza complessivo a 5 anni del 22,9%, notevolmente inferiore a quello del cancro del colon-retto (65,1%), della mammella (90,6%) e della prostata (96,8%). )1. Tuttavia, se il cancro ai polmoni viene rilevato in una fase precoce, è altamente curabile attraverso la resezione chirurgica. Il tasso di sopravvivenza a 5 anni per il cancro del polmone non piccolo (NSLC) in stadio avanzato (distante) è inferiore all'8%, ma migliora al 64% se rilevato in uno stadio localizzato e raggiunge l'80% se rilevato allo stadio IA2. La tomografia computerizzata a basso dosaggio (LDCT) si è affermata come il gold standard per lo screening del cancro del polmone ed è associata a una diminuzione del 20% della mortalità tra i pazienti sottoposti a screening con la tecnica. Accessibilità, costi, stigmatizzazione e mancanza di aderenza alle linee guida dell’LDCT sono tra le principali sfide che ne limitano l’impatto, poiché solo circa il 5% della popolazione idonea all’LDCT viene sottoposta a screening3, con il risultato che il 55% dei casi di cancro al polmone viene rilevato in fase avanzata dove il tasso di sopravvivenza è inferiore all’8%4. Proponiamo quindi un test di screening minimamente invasivo, accessibile, sensibile e accurato con elevata sensibilità (Se) per il cancro del polmone in stadio iniziale.

Metodi di screening diversi dall'LDCT, come le radiografie del torace e la citologia dell'espettorato, si sono rivelati insoddisfacenti se valutati in contesti di screening clinico su larga scala5. I nuovi metodi basati su biomarcatori proteici standard utilizzati per la rilevazione del cancro non forniscono sufficiente sensibilità e specificità (Sp)6. Recentemente, c’è stato un notevole interesse per lo sviluppo di protocolli che si basano sulle secrezioni tumorali nel sangue, come la biopsia liquida. I test sviluppati da aziende tra cui Grail, Freenome, Guardant, Delfi e Thrive identificano il cancro analizzando le proprietà del DNA tumorale circolante (ctDNA) o del DNA libero circolante derivato dal tumore (cfDNA), come mutazioni genetiche, metilazione e frammentazione7,8,9 ,10,11. Sebbene i risultati iniziali si siano mostrati promettenti nella rilevazione di vari tumori, compreso il cancro del polmone, la sensibilità allo Stadio I e alle lesioni più piccole scende precipitosamente al di sotto di un livello clinicamente accettabile. È stato suggerito che questa non sia principalmente una limitazione tecnologica, ma potrebbe invece essere correlata alla biologia della fonte e al tipo di biomarcatore. Lesioni più piccole secernono meno ctDNA tumorale (~ 1 ctDNA/10 ml di sangue), mentre l'eterogeneità del tumore può essere modellata solo attraverso molti biomarcatori di sottoprodotti del tumore, il che rende difficile trovare le quantità necessarie di ctDNA in un campione di sangue clinicamente pratico12. Ad esempio, la sensibilità complessiva del test Grail per la diagnosi precoce multi-cancro (MCED) scende dal 90,1% [intervallo di confidenza al 95% (IC) 87,5–92,2%)] nei pazienti in stadio IV al 16,8% [IC al 95% 14,5– 19,5%] nei pazienti in Stadio I13. La biopsia liquida può essere un potente strumento per i tumori non selezionabili (pancreatico, ecc.), ma per i tumori con protocolli di screening consolidati, come quello del colon-retto e del polmone, sono ancora urgentemente necessari metodi per rilevare lesioni in stadio iniziale altamente curabili. Per affrontare questi problemi e sviluppare un test di screening efficace per il cancro del polmone, abbiamo ottimizzato tre aspetti cruciali: (1) fonte di biomarcatore, (2) tipo di biomarcatore e (3) tecnologia abilitante.