Circulating Tumor DNA Methylation with Photoelectrochemical Sensor Signatures Decoded by Attention Mechanisms

DNA甲基化 甲基化 DNA 光电化学 光电子学 计算机科学 化学 材料科学 计算生物学 生物 生物化学 电化学 基因 电极 物理化学 基因表达
作者
Ping Sun,Guoliang Wang,Jianjun Xu,Wenqiang Wang,Shaobo Hu,Chen Zhang
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:172 (8): 087509-087509
标识
DOI:10.1149/1945-7111/adf806
摘要

Integration of ultrasensitive photoelectrochemical (PEC) sensing with advanced computational analysis presents a novel approach for early cancer detection through circulating tumor DNA (ctDNA) methylation profiling. We report a synergistic platform combining BiOBr/WS 2 heterojunction–based PEC sensor with attention–driven deep learning to decode cancer–specific methylation signatures. The BiOBr/WS 2 composite, synthesized via a two–step hydrothermal process, demonstrated enhanced visible–light absorption and charge separation efficiency, achieving a 2.3–fold higher photocurrent response than pristine BiOBr. This sensor enabled ultrasensitive ctDNA detection with a linear range spanning six orders of magnitude (0.5 fM to 500 pM) and an ultralow detection limit of 0.05 fM. Deep learning revealed that attention mechanisms prioritized methylation loci in promoter regions and gene bodies, achieving 75% classification accuracy and a ROC AUC of 0.889. The model identified bidirectional methylation patterns, with 73% of high–weight CpG sites showing cancer–specific hypomethylation, challenging traditional hypermethylation–centric paradigms. The sensor exhibited exceptional selectivity against mismatched sequences, 95% signal stability over 7 days, and 97%–103% recovery in human serum. By bridging nanomaterial–enhanced PEC transduction with context–aware methylation analysis, this work establishes robust framework for non–invasive cancer screening, emphasizing the critical role of epigenetic heterogeneity in early intervention strategies.
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