AI-tool versnelt de classificatie van tumoren tijdens hersenchirurgie – Physics World

AI-tool versnelt de classificatie van tumoren tijdens hersenchirurgie – Physics World

Tijdstempel: 20 november 2023 4:30 uur

Snelle DNA-sequencing
Snelle classificatie Het combineren van DNA-sequencing met neurale netwerkmodellen versnelt de identificatie van het type hersentumor tijdens de operatie aanzienlijk. (Met dank aan UMC Utrecht)

Voor een neurochirurg is het verwijderen van kankerweefsel in de hersenen een mooie evenwichtsoefening tussen het maximaliseren van de hoeveelheid verwijderde tumor om de overleving van een patiënt te verlengen en het minimaliseren van het risico op permanente neurologische schade. Een nieuw hulpmiddel dat snelle DNA-sequencing en kunstmatige intelligentie combineert om tumoren van het centrale zenuwstelsel (CZS) te classificeren tijdens hersenkankeroperaties, stelt neurochirurgen in staat betere beslissingen te nemen over de mate van tumorresectie die de patiënt het meeste ten goede zal komen.

Chirurgen hebben vóór de operatie beperkte kennis van het tumortype. Als de operatie begint, worden delen van het tumorweefsel verwijderd voor onmiddellijke histologische beoordeling. Maar de DNA-sequencing voor histologische en moleculaire analyse door een patholoog vergt doorgaans een week om een ​​definitieve diagnose te stellen.

Ter vergelijking: het nieuwe instrument – ​​door het multi-institutionele team van ontwikkelaars in Nederland Sturgeon genoemd – kan voor de meeste CZS-tumoren binnen 90 minuten een nauwkeurige diagnose stellen. En zodra ze het tumortype en de agressiviteit kennen, kunnen neurochirurgen hun chirurgische strategie in de operatiekamer aanpassen, afhankelijk van de tumorclassificatie.

“Tijdens een operatie wordt soms opzettelijk een klein restje tumorweefsel achtergelaten om neurologische schade te voorkomen”, legt kinderneurochirurg uit Eelco Hoving in een persverklaring. “Maar als later bijvoorbeeld blijkt dat de tumor erg agressief is, kan een tweede operatie toch nodig zijn om dat laatste overblijfsel te verwijderen. Dat kan nu vermeden worden, omdat we al bij de eerste operatie weten met welk type tumor we te maken hebben.”

Rapporteren van hun bevindingen in NATUUR, de onderzoekers – uit UMC Utrecht, AmsterdamUMC en Prinses Máxima Centrum voor Kinderoncologie – uitleggen hoe ze de tool hebben gemaakt, getraind en getest. Ze beschrijven ook het gebruik ervan tijdens 25 operaties, waarbij Sturgeon 72% van de tumoren nauwkeurig classificeerde in minder dan 45 minuten.

Sturgeon maakt gebruik van snelle nanoporiesequencing, een technologie die helpt DNA in realtime te lezen, om tijdens operaties een schaars methyleringsprofiel te verkrijgen. Methyleringspatronen zijn DNA-modificaties die zeer onderscheidend zijn voor een individueel tumortype, waardoor moleculaire subclassificatie van CZS-tumoren mogelijk wordt gemaakt. De neurale netwerkclassificator is patiëntonafhankelijk, wat betekent dat er geen patiëntspecifieke modeltraining voor nodig is, en dat het slechts een paar seconden duurt om op een laptop te draaien.

Vanwege de beperkte beschikbaarheid van op nanoporiën gebaseerde methyleringsdatasets, Bastiaan Tops, Jeroen de Ridder en collega's ontwikkelden een strategie om realistische trainingsgegevens te genereren uit standaard array-gebaseerde methylatieprofielen. Sturgeon gebruikt deze gegevens om het aantal beschikbare trainingsmonsters te vergroten, waarbij duizenden unieke nanoporie-sequencing-experimenten van elk tumormethylatieprofiel worden gesimuleerd. Uiteindelijk werden de definitieve Sturgeon-modellen getraind op 36.8 miljoen gesimuleerde nanoporiënruns en gevalideerd op een extra 4.2 miljoen.

De onderzoekers trainden Sturgeon aanvankelijk om CZS-tumorclassificatie uit te voeren en pasten deze toe op spaarzame nanoporie-sequencinggegevens in 50 CZS-tumormonsters en een publiekelijk beschikbare dataset van gesequenced CZS-monsters. Het model classificeerde 45 van de 50 tumormonsters correct, binnen 40 minuten na het starten van de sequencing, met vergelijkbare resultaten voor de openbare dataset.

Om de prestaties van Sturgeon bij het diagnosticeren van pediatrische CZS-tumoren specifiek te valideren, heeft het team 94 methyleringsprofielen verkregen van pediatrische patiënten die een CZS-tumorresectie hadden ondergaan en deze gebruikt om experimenten met nanoporie-sequencing te simuleren. Voor gevallen met een duidelijke diagnose heeft Sturgeon 0.8% van de 95.3 gesimuleerde monsters correct geclassificeerd (met een betrouwbaarheidsdrempel van 34,000) binnen 25 minuten, en 97.1% binnen 50 minuten.

“Deze resultaten suggereren dat een sluitende diagnose kan worden bereikt binnen 25-50 minuten na gesimuleerde sequencing voor de overgrote meerderheid van pediatrische gevallen die kunnen worden geclassificeerd… met een zeer laag foutenpercentage”, schrijven ze.

Ook demonstreerde het team het gebruik van Sturgeon tijdens twintig kinderoperaties in het Prinses Máxima Centrum en vijf volwassen operaties in het Amsterdam UMC. Voor dit klinische haalbaarheidsonderzoek werden monsters die waren verkregen voor histologische beoordeling gesplitst, waarbij het ene deel werd gebruikt voor intraoperatieve sequencing en het andere voor histologische beoordeling. De onderzoekers melden dat Sturgeon 20 van de 18 tumoren correct diagnosticeerde in minder dan 25 minuten sequencing, met een totale diagnostische doorlooptijd van minder dan 45 minuten.

Eén beperking van Sturgeon is dat het alleen goed presteert in monsters die voldoende vertegenwoordigd zijn in de trainingsgegevens, waarin geen zeldzame typen CZS-tumoren zijn opgenomen. Sturgeon presteert ook niet zo goed bij het analyseren van monsters die minder dan 50% abnormale cellen bevatten. Bovendien kunnen grote weefselmonsters (ongeveer 5 mm3), zijn nodig om voldoende DNA-concentratie te bieden.

De onderzoekers vertellen Natuurkunde wereld dat verdere toekomstige ontwikkelingen van deze methode de toepassing op andere tumortypen, zoals sarcoom of leukemie, zullen omvatten, evenals prospectieve validatie om het voordeel voor de patiënt aan te tonen en studies in een veel grotere patiëntenpopulatie.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld