Цель работы: исследовать возможности комбинированных моделей, включающих электрические, вязкоупругие параметры эритроцитов, уровни жирных кислот мембран эритроцитов, сыворотки крови для повышения точности диагностики раннего колоректального рака (КРР). Материалы и методы. Обследованы 65 пациентов с 1-2 стадиями КРР (средний возраст 63,3±9,6 лет), 25 человек с аденоматозными полипами (АП) и 35 человека группы сравнения. Электрические и вязкоупругие параметры эритроцитов исследованы методом диэлектрофореза в частотном диапазоне 5х104-106Гц; уровни жирных кислот (ЖК) в мембранах эритроцитов, сыворотке крови - с применением газовой хроматографии/масс-спектрометрии (Agilent 7000B (США). При создании комбинированных моделей использованы методы машинного обучения, для их интерпретации и оценки степени вклада параметров в их состав был использован метод построения SHAP-диаграмм. Результаты. Применение комбинированных моделей позволило достичь высокую диагностическую точность различения: для пары «здоровые против пациенты с АП» при проведении ROC-анализа AUC составила 1,0 (чувствительность 1,0, специфичность 1,0). Данная модель включала параметры: диаметр эритроцитов на частоте 106Гц, доля деформированных клеток, обобщенный показатель жесткости, амплитуда деформации клеток на частоте 106Гц, скорость движения эритроцитов к электродам, электропроводность клеток, уровень арахидоновой кислоты, индекс агрегации на частоте 5х104Гц, поляризуемость на частоте 1х106Гц, суммарное содержание эйкозапентаеновой и докозагексаеновой (n3), уровень докозатетраеновой ЖК (n6). Для пары «здоровые против пациенты с 1-2 стадиями КРР» AUC также достигла 1,0 (повышение AUC с 0,916 при использовании только ЖК до 1,0 в комбинированных моделях) (чувствительность 1,0, специфичность 1,0); наиболее значимыми для различения оказались: электропроводность, емкость клеток, эритроцитарный уровень пальмитолеиновой С16:1;9 ЖК, положение равновесной частоты, обобщенный показатель жесткости, амплитуда деформации клеток на частоте 106 Гц, степень деформации клеток на частоте 5х105Гц, величина дипольного момента, суммарное содержание сывороточных насыщенных ЖК, доля деформированных клеток, сывороточные уровни миристиновой, пальмитиновой ЖК, скорость движения эритроцитов к электродам, уровень докозапентаеновой С22:5n-3 в сыворотке крови. Для пары «пациенты с 1-2 стадиями КРР против пациенты с АП» AUC составила 0,98 (чувствительность 0,92, специфичность 1,0). Данная модель состояла из показателей: диаметр эритроцитов на разных частотах электрического поля, уровня докодиеновой ЖК(n6) в мембранах эритроцитов, доли дискоцитарных форм, содержания стеариновой ЖК в эритроцитах, сывороточного уровня пальмитолеиновой С16:1;9 ЖК, суммарное содержание насыщенных ЖК, индексы агрегации на низких частотах НПЭП, уровень пентадекановой ЖК в мембранах эритроцитов, сывороточное содержание стеариновой ЖК и поляризуемость клеток на частоте 106 Гц. Заключение. Создание комбинированных моделей, состоящих из электрических, вязкоупругих параметров эритроцитов, уровней жирных кислот мембран эритроцитов, сыворотки крови с использованием методов машинного обучения и построения SHAP-диаграмм обеспечивает высокую точность диагностики предрака и раннего колоректального рака.
The purpose of the work: to investigate the possibilities of combined models including electrical, viscoelastic parameters of erythrocytes, fatty acid levels of erythrocyte membranes, blood serum to improve the accuracy of early colorectal cancer (CRC) diagnosis. Materials and methods. 65 patients with stages 1-2 of CRC (mean age 63.3±9.6 years), 25 people with adenomatous polyps (AP) and 35 people of the comparison group were examined. The electrical and viscoelastic parameters of erythrocytes were studied by dielectrophoresis in the frequency range 5x104-106Hz; the levels of fatty acids (FA) in erythrocyte membranes, blood serum - using gas chromatography/mass spectrometry (Agilent 7000B (USA). When creating combined models, machine learning methods were used, for their interpretation and assessment of the degree of contribution of parameters to their composition, the method of constructing SHAP diagrams was used. Results. The use of combined models made it possible to achieve high diagnostic accuracy of distinction: for the pair “healthy versus patients with AP” during ROC analysis, the AUC was 1,0 (sensitivity 1,0, specificity 1,0). This model included parameters: diameter of erythrocytes at a frequency of 106Hz, proportion of deformed cells, summerized rigidity, amplitude of cell deformation at a frequency of 106Hz, speed of movement of erythrocytes to electrodes, electrical conductivity of cells, level of arachidonic acid, aggregation index at a frequency of 5x104Hz, polarizability at a frequency of 106Hz, total content of eicosapentaenoic and docosahexaenoic (n3), level of docosatetraenoic FA (n6). For the pair “healthy vs patients with 1-2 stages of CRC”, the AUC also reached 1,0 (an increase in AUC from 0.916 when using only FA to 1.0 in combined models) (sensitivity 1,0, specificity 1,0); the most significant for the distinction were: electrical conductivity, cell capacity, erythrocyte level of palmitooleiс C16:1;9 FA, the position of the crossover frequency, summerized rigidity, the amplitude of cell deformation at a frequency of 106 Hz, the degree of cell deformation at a frequency of 5x105 Hz, the level of the dipole moment, the total content of serum saturated FA, the proportion of deformed cells, serum levels myristic, palmitic FA, the rate of movement of erythrocytes to the electrodes, the level of docozapentaenoic C22:5n-3 in the blood serum. For the pair “patients with 1-2 stages of CRC versus patients with AP”, the AUC was 0,98 (sensitivity 0,92, specificity 1,0). This model consisted of indicators: the diameter of erythrocytes at different frequencies of the electric field, the level of decadienic FA (n6) in erythrocyte membranes, the proportion of discocytic forms, the content of stearic FA in erythrocytes, the serum level of palmitoleic C16:1;9 FA, the total content of saturated FA, aggregation indices at low frequencies of NUAEF, the level of pentadecanoic FA in erythrocyte membranes, serum stearic acid content and cell polarizability at a frequency of 106 Hz. Conclusion. The creation of combined models consisting of electrical, viscoelastic parameters of erythrocytes, fatty acid levels of erythrocyte membranes, blood serum using machine learning methods and the construction of SHAP diagrams ensures high accuracy in the diagnosis of precancerous and early colorectal cancer.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.