Pioneering noninvasive colorectal cancer detection with an AI-enhanced breath volatilomics platform

结直肠癌 医学 癌症 癌症研究 内科学
作者
Yongqian Liu,Yongyan Ji,Jian Chen,Yixuan Zhang,Xiaowen Li,Xiang Li
出处
期刊:Theranostics [Ivyspring International Publisher]
卷期号:14 (11): 4240-4255 被引量:2
标识
DOI:10.7150/thno.94950
摘要

Background:The sensitivity and specificity of current breath biomarkers are often inadequate for effective cancer screening, particularly in colorectal cancer (CRC).While a few exhaled biomarkers in CRC exhibit high specificity, they lack the requisite sensitivity for early-stage detection, thereby limiting improvements in patient survival rates.Methods: In this study, we developed an advanced Mass Spectrometry-based volatilomics platform, complemented by an enhanced breath sampler.The platform integrates artificial intelligence (AI)-assisted algorithms to detect multiple volatile organic compounds (VOCs) biomarkers in human breath.Subsequently, we applied this platform to analyze 364 clinical CRC and normal exhaled samples.Results: The diagnostic signatures, including 2-methyl, octane, and butyric acid, generated by the platform effectively discriminated CRC patients from normal controls with high sensitivity (89.7%), specificity (86.8%), and accuracy (AUC = 0.91).Furthermore, the metastatic signature correctly identified over 50% of metastatic patients who tested negative for carcinoembryonic antigen (CEA).Fecal validation indicated that elevated breath biomarkers correlated with an inflammatory response guided by Bacteroides fragilis in CRC. Conclusion:This study introduces a sophisticated AI-aided Mass Spectrometry-based platform capable of identifying novel and feasible breath biomarkers for early-stage CRC detection.The promising results position the platform as an efficient noninvasive screening test for clinical applications, offering potential advancements in early detection and improved survival rates for CRC patients.
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