Protemic characterization of peripheral blood mononuclear cells

Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) play quite diverse and important roles in monitoring immune homeostasis. Thus, these subset of blood cells may provide access to potential physiological relevant biomolecules, namely proteins. For this reason, PBMCs represent a promising biological sample in scientific research, particularly as a source of potential biological markers discovery of the most diverse diseases. Prior studies of proteomic characterization of PBMCs from healthy individuals lack either the identification of a large number of proteins or its quantification in a way that is compatible with the search of potential biomarker candidates. Therefore, this study aimed to provide a comprehensive PBMCs proteome characterisation as well as to create a SWATH library. It was also evaluated if by using the BD Vacutainer® CPT™ tubes for PBMCs isolation, it would be possible to identify a larger number of immunologically relevant proteins in comparison to plasma samples. The enrichment test assay revealed that it is possible to identify more immune-related proteins from isolated PBMCs than from plasma. Moreover, the majority of the quantified proteins with an “immune system” GO term assigned is present in higher amounts in PBMCs samples. 2D LC-MS/MS proved to be the best approach to use in qualitative analysis of PBMCs and in the construction of a SWATH library, since it resulted in an increase of both identified and quantified proteins (66.3% and 16.9%, respectively) in comparison to 1D LC-MS/MS. A total of 2071 proteins were identified and it was possible to quantify 922 different proteins among six distinct samples. From these proteins, 445 were commom between all individuals. In conclusion, this work provides a comprehensive PBMCs proteome dataset that will be useful in further studies that focus on the search for potential biological markers of various pathologies in these cells. Additionally, SWATH-MS proved to be a reproducible and effective acquisition method to quantify PBMCs proteins.

Concentration of tumor biomarkers using aqueous biphasic systems

According to the World Health Organization, around 8.2 million people die each year with cancer. Most patients do not perform routine diagnoses and the symptoms, in most situations, occur when the patient is already at an advanced stage of the disease, consequently resulting in a high cancer mortality. Currently, prostate cancer is the second leading cause of death among males worldwide. In Portugal, this is the most diagnosed type of cancer and the third that causes more deaths. Taking into account that there is no cure for advanced stages of prostate cancer, the main strategy comprises an early diagnosis to increase the successful rate of the treatment. The prostate specific antigen (PSA) is an important biomarker of prostate cancer that can be detected in biological fluids, including blood, urine and semen. However, the commercial kits available are addressed for blood samples and the commonly used analytical methods for their detection and quantification requires specialized staff, specific equipment and extensive sample processing, resulting in an expensive process. Thus, the aim of this MSc thesis consisted on the development of a simple, efficient and less expensive method for the extraction and concentration of PSA from urine samples using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids. Initially, the phase diagrams of a set of aqueous biphasic systems composed of an organic salt and ionic liquids were determined. Then, their ability to extract PSA was ascertained. The obtained results reveal that in the tested systems the prostate specific antigen is completely extracted to the ionic-liquid-rich phase in a single step. Subsequently, the applicability of the investigated ABS for the concentration of PSA was addressed, either from aqueous solutions or urine samples. The low concentration of this biomarker in urine (clinically significant below 150 ng/mL) usually hinders its detection by conventional analytical techniques. The obtained results showed that it is possible to extract and concentrate PSA, up to 250 times in a single-step, so that it can be identified and quantified using less expensive techniques.

Concentration of tumor biomarkers using aqueous biphasic systems

According to the World Health Organization, around 8.2 million people die each year with cancer. Most patients do not perform routine diagnoses and the symptoms, in most situations, occur when the patient is already at an advanced stage of the disease, consequently resulting in a high cancer mortality. Currently, prostate cancer is the second leading cause of death among males worldwide. In Portugal, this is the most diagnosed type of cancer and the third that causes more deaths. Taking into account that there is no cure for advanced stages of prostate cancer, the main strategy comprises an early diagnosis to increase the successful rate of the treatment. The prostate specific antigen (PSA) is an important biomarker of prostate cancer that can be detected in biological fluids, including blood, urine and semen. However, the commercial kits available are addressed for blood samples and the commonly used analytical methods for their detection and quantification requires specialized staff, specific equipment and extensive sample processing, resulting in an expensive process. Thus, the aim of this MSc thesis consisted on the development of a simple, efficient and less expensive method for the extraction and concentration of PSA from urine samples using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids. Initially, the phase diagrams of a set of aqueous biphasic systems composed of an organic salt and ionic liquids were determined. Then, their ability to extract PSA was ascertained. The obtained results reveal that in the tested systems the prostate specific antigen is completely extracted to the ionic-liquid-rich phase in a single step. Subsequently, the applicability of the investigated ABS for the concentration of PSA was addressed, either from aqueous solutions or urine samples. The low concentration of this biomarker in urine (clinically significant below 150 ng/mL) usually hinders its detection by conventional analytical techniques. The obtained results showed that it is possible to extract and concentrate PSA, up to 250 times in a single-step, so that it can be identified and quantified using less expensive techniques.

Population genetics of C. Maenas : oceanography and larval dispersal

Decifrar a complexa interacção entre os ciclos de vida de espécies marinhas e a oceanografia revela-se fundamental para a compreensão do fluxo genético e da conectividade no meio marinho. Nas espécies marinhas com desenvolvimento indirecto o fluxo de genes entre populações depende da distância que separa as populações, bem como da interacção entre a duração do desenvolvimento larvar, do comportamento das larvas e dos padrões de circulação oceânica. A conectividade larvar influencia uma variedade de processos como a dinâmica de stocks e de populações, a distribuição e limites geográficos das espécies, a estrutura genética das populações e a dispersão de espécies invasivas e reveste-se consequentemente de uma importância fundamental na identificação das unidades populacionais evolucionariamente relevantes e para a gestão e conservação marinhas. Os marcadores genéticos e os Modelos Individuais Acoplados a Modelos Físico-Biológicos (“ICPBMs”) são actualmente ferramentas fundamentais para o estudo dos padrões de dispersão larvar e para avaliar o nível de conectividade populacional. A presente tese respeita à avaliação das escalas espaciais de conectividade de populações de uma espécie costeira, o caranguejo Carcinus maenas, e utiliza conjuntamente informação de marcadores genéticos, análise de séries temporais de fornecimento de larvas e um modelo numérico de circulação oceânica. O primeiro capítulo introduz a temática da conectividade em espécies marinhas e inclui algumas referências aos métodos moleculares, analíticos e de modelação seguidos ao longo da tese. Através da utilização de múltiplas ferramentas – avaliação da estrutura genética geográfica de C. maenas na sua distribuição nativa com recurso a marcadores de DNA (microssatélites) (Capítulo 2), avaliação da estrutura genética temporal das larvas que formam os eventos de fornecimento larvar à Ria de Aveiro, NW Portugal (Capítulo 3), descrição da variabilidade inter-anual do fornecimento larvar à Ria de Aveiro, NW Portugal (Capítulo 4) e validação de um modelo ICPBM que descreve os padrões observados de fornecimento (Capítulo 5) – esta tese espera poder contribuir para uma melhor compreensão dos mecanismos que regulam o fluxo de genes e a conectividade entre populações de organismos marinhos. No Capítulo 6 são apresentadas as principais conclusões da investigação. A análise genética com recurso a microssatélites indicou que as populações de C. maenas são geneticamente homogéneas ao longo de várias centenas de km, dentro da distribuição nativa da espécie. Paralelamente, não foram encontrados indícios da existência de reprodução por “sweepstakes” em C. maenas de populações da costa oeste da Península Ibérica, visto que não se obtiveram diferenças genéticas significativas entre os eventos larvares. Também não se encontrou qualquer estrutura familiar entre as larvas que formam cada episódio de fornecimento, e não houve nenhuma redução significativa da variabilidade genética das larvas quando comparada com a de caranguejos adultos. A análise de séries temporais de suprimento de larvas na Ria de Aveiro em cinco anos estudados indica que este é um fenómeno episódico e variável, sendo os maiores episódios de fornecimento coincidentes com as marés vivas e acentuados por fortes ventos de sul. O modelo ICPBM foi validado com sucesso e parece fornecer uma estimativa realística das escalas espaciais e temporais de dispersão larvar, de acordo com as observações da estrutura genética e da ausência de reprodução por “sweepstake” em C. maenas da costa oeste da Península Ibérica

Carcinoma da nasofaringe: aspectos epidemiológicos clínicos e moleculares

Após uma revisão de aspectos filogénicos, ontogénicos e embriológicos contribuindo para a estruturação anatómica e fisiológica da nasofaringe, é efectuada uma análise das características clínicas do carcinoma da nasofaringe numa população portuguesa, comparando-as com a literatura. É efectuada análise de taxa de incidência da doença, razão de géneros, frequência relativa dos diversos subtipos de acordo com a classificação OMS, acuidade relativa dos estadiamentos TMN e sobrevivência em função do tratamento. A relação entre carcinoma da nasofaringe e infecção pelo vírus de Epstein – Barr em Portugal é estudada através da análise de detecção de DNA de EBV em tecido tumoral da nasofaringe e sangue periférico de doentes com NPC e em indivíduos saudáveis. São também efectuados estudos caso-controlo no sentido de perspectivar a relevância de dois polimorfismos genéticos na susceptibilidade genética para a doença. Esta Dissertação pretende ainda contribuir para a compreensão dos mecanismos biológicos de CN e a sua relação com o EBV numa região não endémica de baixo risco, como é Portugal, realçando a relevância da definição de um perfil biológico preditivo para o desenvolvimento de CN na população portuguesa.

Ritmos biológicos, cronotipo e funções cognitivas : um estudo de campo

Os primeiros estudos onde se tentava avaliar os melhores horários para se lecionar de forma a se poderem otimizar os horários escolares são já muito antigos. O primeiro a estabelecer uma relação sistemática entre performance cognitiva, Cronobiologia e sono foi Kleitman, evidenciando uma paralelismo entre o ritmo circadiano da temperatura central e a altura do dia em que eram realizadas tarefas simples de repetição. Após este primeiro estudo, muitos outros se seguiram, contudo a maioria apenas encontrou ritmos em protocolos de rotina constante e dessincronização forçada desprovidos de validade ecológica. Acresce ainda o facto de neste tipo de estudos não haver uma manipulação sistemática do efeito do padrão individual de distribuição dos parâmetros circadianos no nictómero, designado na literatura como Cronotipo. Perante isto, o presente estudo pretende avaliar a influência do Cronotipo nos ritmos cognitivos, utilizando um protocolo de rotina normal (Ecológico), onde também se manipula o efeito fim-de-semana. Para testar as premissas supramencionadas, utilizou-se uma amostra de 16 alunos universitários, que numa primeira fase responderam ao questionário de Matutinidade e Vespertinidade de Horne&Östberg, para caracterização do Cronotipo, e posteriormente andaram 15-17 dias consecutivos com tempatilumis (actímetros) para análise de ritmos de temperatura e atividade, com iPads onde realizavam ao longo do dia várias tarefas cognitivas e com o Manual de Registo Diário, onde respondiam ao diário de sono e de atividade. A análise de dados denotou a inexistência de expressão de ritmos na maioria dos parâmetros cognitivos inviabilizando a verificação de diferenças significativas entre indivíduos matutinos e vespertinos nestes parâmetros. Esta ausência de visualização da expressão rítmica pode ser explicada pelo facto de os participantes não terem aderido da forma desejada e exigida, à realização das tarefas cognitivas, ou pelo facto de termos usado um protocolo de rotina normal, em detrimento dos protocolos de rotina constate e dessincronização forçada, não controlando assim algumas variáveis que influenciam o desempenho cognitivo, podendo estas mascarar ou mesmo eliminar o ritmo. Ainda assim e apesar destas contingências observaram-se ritmos circadianos nas variáveis de autoavaliação, mesmo com o paradigma ecológico. Verificou-se ainda um efeito da hora do dia em vários parâmetros de tarefas cognitivas e motoras medidas objetivamente, assim como uma diminuição da performance cognitiva nos vespertinos, comparativamente aos matutinos, na janela temporal das 6h às 12 horas, que coincide com a maior concentração de horas de aulas por dia na Universidade onde o estudo foi realizado. Outros estudos serão necessários para consolidar a influência do Cronotipo nos ritmos cognitivos, utilizando o protocolo de rotina normal para garantir a validade ecológica, salvaguardando uma participação mais ativa na execução das tarefas cognitivas por parte dos sujeitos em estudo.

Metabolic signature of lung cancer: a metabolomic study of human tissues and biofluids

This thesis reports the application of metabolomics to human tissues and biofluids (blood plasma and urine) to unveil the metabolic signature of primary lung cancer. In Chapter 1, a brief introduction on lung cancer epidemiology and pathogenesis, together with a review of the main metabolic dysregulations known to be associated with cancer, is presented. The metabolomics approach is also described, addressing the analytical and statistical methods employed, as well as the current state of the art on its application to clinical lung cancer studies. Chapter 2 provides the experimental details of this work, in regard to the subjects enrolled, sample collection and analysis, and data processing. In Chapter 3, the metabolic characterization of intact lung tissues (from 56 patients) by proton High Resolution Magic Angle Spinning (HRMAS) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy is described. After careful assessment of acquisition conditions and thorough spectral assignment (over 50 metabolites identified), the metabolic profiles of tumour and adjacent control tissues were compared through multivariate analysis. The two tissue classes could be discriminated with 97% accuracy, with 13 metabolites significantly accounting for this discrimination: glucose and acetate (depleted in tumours), together with lactate, alanine, glutamate, GSH, taurine, creatine, phosphocholine, glycerophosphocholine, phosphoethanolamine, uracil nucleotides and peptides (increased in tumours). Some of these variations corroborated typical features of cancer metabolism (e.g., upregulated glycolysis and glutaminolysis), while others suggested less known pathways (e.g., antioxidant protection, protein degradation) to play important roles. Another major and novel finding described in this chapter was the dependence of this metabolic signature on tumour histological subtype. While main alterations in adenocarcinomas (AdC) related to phospholipid and protein metabolisms, squamous cell carcinomas (SqCC) were found to have stronger glycolytic and glutaminolytic profiles, making it possible to build a valid classification model to discriminate these two subtypes. Chapter 4 reports the NMR metabolomic study of blood plasma from over 100 patients and near 100 healthy controls, the multivariate model built having afforded a classification rate of 87%. The two groups were found to differ significantly in the levels of lactate, pyruvate, acetoacetate, LDL+VLDL lipoproteins and glycoproteins (increased in patients), together with glutamine, histidine, valine, methanol, HDL lipoproteins and two unassigned compounds (decreased in patients). Interestingly, these variations were detected from initial disease stages and the magnitude of some of them depended on the histological type, although not allowing AdC vs. SqCC discrimination. Moreover, it is shown in this chapter that age mismatch between control and cancer groups could not be ruled out as a possible confounding factor, and exploratory external validation afforded a classification rate of 85%. The NMR profiling of urine from lung cancer patients and healthy controls is presented in Chapter 5. Compared to plasma, the classification model built with urinary profiles resulted in a superior classification rate (97%). After careful assessment of possible bias from gender, age and smoking habits, a set of 19 metabolites was proposed to be cancer-related (out of which 3 were unknowns and 6 were partially identified as N-acetylated metabolites). As for plasma, these variations were detected regardless of disease stage and showed some dependency on histological subtype, the AdC vs. SqCC model built showing modest predictive power. In addition, preliminary external validation of the urine-based classification model afforded 100% sensitivity and 90% specificity, which are exciting results in terms of potential for future clinical application. Chapter 6 describes the analysis of urine from a subset of patients by a different profiling technique, namely, Ultra-Performance Liquid Chromatography coupled to Mass Spectrometry (UPLC-MS). Although the identification of discriminant metabolites was very limited, multivariate models showed high classification rate and predictive power, thus reinforcing the value of urine in the context of lung cancer diagnosis. Finally, the main conclusions of this thesis are presented in Chapter 7, highlighting the potential of integrated metabolomics of tissues and biofluids to improve current understanding of lung cancer altered metabolism and to reveal new marker profiles with diagnostic value.