Läkare använder allt oftare genetiska signaturer för att diagnostisera sjukdomar och bestämma den bästa vårdförloppet, men att använda DNA-sekvensering och andra tekniker för att detektera genomiska omarrangemang förblir kostsamt eller begränsade i kapacitet. Dock, ett innovativt genombrott utvecklat av forskare vid Virginia Commonwealth University Massey Cancer Center och VCU Department of Physics lovar att diagnostisera DNA-omarrangemangsmutationer till en bråkdel av kostnaden med förbättrad noggrannhet.

Leds av VCU-fysikern Jason Reed, Ph.D., teamet utvecklade en teknik som kombinerar en process som kallas digital polymeraskedjereaktion (dPCR) med höghastighets atomkraftsmikroskopi (HSAFM) för att skapa en bild med en sådan upplösning i nanoskala att användare kan mäta skillnader i längderna på gener i en DNA-sekvens. Dessa variationer i genlängd, känd som polymorfismer, kan vara nyckeln till att korrekt diagnostisera många former av cancer och neurologiska sjukdomar.

En studie som beskriver metoden publicerades nyligen i tidskriften ACS Nano , och forskargruppen rapporterade sina resultat vid de årliga mötena för Association of Molecular Pathology och American Society of Hematology. Tidigare forskning som beskriver HSAFM-tekniken beskrevs av VCU Massey Cancer Center 2017.

"Tekniken som behövs för att upptäcka omarrangemang av DNA-sekvenser är dyr och begränsad i tillgänglighet, men medicinen förlitar sig i allt högre grad på den information den tillhandahåller för att korrekt diagnostisera och behandla cancer och många andra sjukdomar, säger Jason Reed, Ph.D., medlem av forskningsprogrammet Cancer Biology vid VCU Massey Cancer Center och docent vid institutionen för fysik vid VCU College of Humanities and Sciences. "Vi har utvecklat ett system som kombinerar en rutinmässig laboratorieprocess med ett billigt men kraftfullt atommikroskop som ger många fördelar jämfört med standard DNA-sekvensering för denna applikation, till en bråkdel av kostnaden."

dPCR använder DNA-polymerasenzymet för att exponentiellt klona prover av DNA eller RNA för ytterligare experiment eller analys. Provet placeras sedan på en atomärt plan platta för inspektion med hjälp av HSAFM, som drar en extremt vass mikroskopisk penna som liknar nålen på en skivspelare över provet för att skapa exakta mätningar på molekylär nivå. Tekniken anpassades av Reeds team för att använda optiska lasrar, som de i en DVD-spelare, att bearbeta prover i en takt tusentals gånger snabbare än vanlig atomkraftsmikroskopi. Forskarna utvecklade sedan datorkod för att spåra längden på varje DNA-molekyl.

Teamet hävdar att varje dPCR-reaktion kostar mindre än $1 att skanna med deras teknik.

För att visa den kliniska nyttan av processen, Reed samarbetade med Amir Toor, M.D., hematolog-onkolog och medlem av forskningsprogrammet Developmental Therapeutics vid Massey, och Alden Chesney, M.D., docent i patologi vid institutionen för patologi vid VCU School of Medicine. Tillsammans, de jämförde Reeds teknik med det nuvarande standardtestet för att diagnostisera DNA-längdpolymorfismer i FLT3-genen hos patienter med akut myeloid leukemi. Patienter med dessa mutationer har vanligtvis en mer aggressiv sjukdom och dålig prognos jämfört med patienter utan mutationen.

Reeds teknik identifierade exakt FLT3-genmutationer i alla prover och matchade resultaten från det nuvarande guldstandardtestet (LeukoStrat CDx FLT3 Mutation Assay) vid mätning av längderna på gensegmenten. Dock, till skillnad från det nuvarande testet, Reeds analys rapporterar också varianten allelfraktion (VAF). VAF kan visa om mutationen är ärvd och tillåter upptäckt av mutationer som potentiellt kan missas av det aktuella testet.

"Vi valde att fokusera på FLT3-mutationer eftersom de är svåra att diagnostisera, och standardanalysen är begränsad i kapacitet, ", säger Reed. "Vi planerar att fortsätta utveckla och testa denna teknologi i andra sjukdomar som involverar DNA-strukturella mutationer. Vi hoppas att det kan vara ett kraftfullt och kostnadseffektivt verktyg för läkare runt om i världen som behandlar cancer och andra förödande sjukdomar som drivs av DNA-mutationer."