Prognostic modelling of breast cancer patients: a benchmark of predictive models with external validation

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores – Sistemas Digitais e Percepcionais pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Biological activity of well defined hydantoin derivatives on efflux pump systems of bacteria and cancer cells

A multi-resistência a antibióticos e medicamentos usados em quimioterapia é um dos grandes problemas com os quais as instituições de saúde se debatem hoje em dia. A acção provocada por bombas de efluxo é uma das suas causas. Estas bombas têm uma importância fundamental, uma vez que, ao expelirem todo o tipo de tóxicos para o exterior das células, também expelem medicamentos, fazendo com que estes não tenham o efeito desejado dentro delas. As bombas de efluxo são transportadores que se encontram nas membranas de todo o tipo de células. Existem dois grandes tipos de bombas de efluxo: as primárias e as secundárias. As primeiras conferem multi-resistência principalmente em células eucariotas, como as células do cancro em humanos, tendo como função a mediação da repulsa de substâncias tóxicas por intermédio da hidrólise de ATP. A primeira a ser descoberta e mais estudada destas bombas foi a ABCB1 que é o gene que codifica a glicoproteína-P (P de permeabilidade). Enquanto as secundárias, que são a maior fonte de multi-resistência em bactérias, promovem a extrusão de substâncias tóxicas através da força motriz de protões. Neste tipo de bombas são conhecidas quatro famílias principais, das quais uma das mais importantes é a superfamília RND, uma vez que inclui a bomba AcrAB-TolC, que é muito importante no metabolismo xenobiótico de bactérias Gramnegativas, nomeadamente a E.coli. Com o objectivo de reverter a multi-resistência, tanto em células eucariotas como procariotas, têm-se desenvolvido estratégias de combate que envolvem a descoberta de substâncias que inibam as bombas de efluxo. Assim sendo, ao longo dos tempos têm sido descobertas variadas substâncias que cumprem este objectivo. É o caso, por exemplo, dos derivados de fluoroquinolonas usados como inibidores de bombas de efluxo em bactérias ou do Tamoxifen, utilizado na terapia de pacientes com cancro da mama. Um dos grupos de substâncias estudados para o desenvolvimento de possíveis compostos que actuem como reversores de multi-resistência são os compostos derivados de hidantoínas. Estes, são conhecidos por possuírem uma grande variedade de propriedades bioquímicas e farmacológicas, sendo portanto usados para tratarem algumas doenças em humanos, como a epilepsia. Nestes, estão englobados compostos com actividade anti-convulsão que constitui a sua grande mais-valia e, dependente da substituição no anel que os constitui, uma grande variedade de outras propriedades farmacológicas como a anti-fungica, a anti-arritmica, a anti-viral, a anti-diabética ou por exemplo a antagonização de determinados receptores, como os da serotonina. Apesar de pouco usados em estudos experimentais para desenvolver substâncias anti-carcinogénicas, existem alguns estudos com este efeito. Objectivos: O presente projecto envolve o estudo de bombas de efluxo primárias e secundárias, em células eucariotas e procariotas, respectivamente. Em bactérias, foram usados quatro modelos experimentais: Staphylococcus aureus ATCC 25923, Enterococcus faecalis ATCC 29212, E. coli AG 100 e Salmonella Enteritidis NCTC 13349. Em células de cancro foram usadas, células T de linfoma de rato parentais e células T de linfoma de rato transfectadas com o gene humano MDR-1. O principal objectivo deste estudo foi a pesquisa de novos moduladores de bombas de efluxo presentes em bactérias e células do cancro, tentando assim contribuir para o desenvolvimento de novos agentes farmacológicos que consigam reverter a multi-resistência a medicamentos. Assim sendo foram testados trinta compostos derivados de hidantoínas: SZ-2, SZ-7, LL-9, BS-1, JH-63, MN-3, TD-7k, GG-5k, P3, P7, P10, P11, RW-15b, AD-26, RW-13, AD-29, KF-2, PDPH-3, Mor-1, KK-XV, Thioam-1, JHF-1, JHC-2, JHP-1, Fur-2, GL-1, GL-7, GL-14, GL-16, GL-18. Como forma de atingir estes objectivos, a actividade biológica dos trinta compostos derivados de hidantoínas foi avaliada nas quatro estirpes de bactérias da seguinte forma: foram determinadas as concentrações mínimas inibitórias dos trinta compostos como forma de definir as concentrações em que os compostos seriam utilizados. Os compostos foram posteriormente testadas com um método fluorométrico de acumulação de brometo de etídeo, que é um substrato comum em bombas de efluxo bacterianas, desenvolvido por Viveiros et al. A actividade biológica dos compostos derivados de hidantoínas nas células de cancro foi demonstrada por diferentes métodos. O efeito anti-proliferativo e citotóxico dos trinta compostos foi avaliado nas células T de linfoma de rato transfectadas com o gene humano MDR-1 pelo método de thiazolyl de tetrazólio (MTT). Como o brometo de etídeo também é expelido pelos transportadores ABC, estes compostos foram posteriormente testados com um método fluorométrico de acumulação de brometo de etídeo desenvolvido por Spengler et al nos dois diferentes tipos de células eucariotas. Resultados: A maioria dos compostos derivados de hidantoínas foi eficaz na modulação de bombas de efluxo, nas duas estirpes de bactérias Gram-negativas e nos dois diferentes tipos de células T de linfoma. Em contraste com estes resultados, nas duas estirpes de células Gram-positivas, a maioria dos compostos tiveram pouco efeito na inibição de bombas de efluxo ou até nenhum, em muitos dos casos. De uma maneira geral os melhores compostos nas diferentes estirpes de bactérias foram: Thioam-1, SZ-2, P3, Rw-15b, AD-26, AD-29, GL-18, GL-7, KF-2, SZ-7, MN-3, GL-16 e GL- 14. Foram portanto estes os compostos que provocaram maior acumulação de brometo de etídeo, inibindo assim com maior eficácia as bombas de efluxo. No presente estudo, a maioria dos compostos conseguiu inibir a resistência provocada pela bomba de efluxo ABCB1, tanto nas células parentais bem como nas células que sobre-expressam esta bomba, causando a acumulação de brometo de etídeo dentro das células. As células que sobreexpressam a bomba ABCB1 foram posteriormente testadas com citometria de fluxo que é a técnica padrão para pesquisa de inibidores de bombas de efluxo. Os compostos que foram mais efectivos na inibição da bomba ABCB1, causando assim maior acumulação de brometo de etídeo nas células que sobre-expressam esta bomba foram: PDPH-3, GL-7, KK-XV, AD-29, Thioam-1, SZ-7, KF-2, MN-3, RW-13, LL-9, P3, AD-26, JH-63 e RW- 15b. Este facto não corroborou totalmente os resultados da citometria de fluxo uma vez que os moduladores que provocaram maior inibição da bomba ABCB1 foram o MN-3, JH-63 e o BS-1, sendo que o último não foi seleccionado como um bom composto usando o método fluorométrico de acumulação de brometo de etídeo. Conclusão: Os compostos derivados de hidantoínas testados tiveram maior efeito nas estirpes de bactérias Gram-negativas do que nas Gram-positivas. Relativamente às células eucariotas, as estruturas mais activas apresentam substituintes aromáticos bem como alguns fragmentos aminicos terciários.

Biochemistry of grape berries: post-genomics approaches to uncover the effects of water deficits on ripening

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry, Plant Physiology

The involvement of CDH1 in cancer angiogenesis

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Biological predictors of survival in limphoma and mechanisms underlying follicular lymphoma transformaion into diffuse large B cell lymphoma (vol I e II)

RESUMO: Os biomarcadores tumorais permitem identificar os doentes com maior risco de recorrência da doença, predizer a resposta tumoral à terapêutica e, finalmente, definir candidatos a novos alvos terapêuticos. Novos biomarcadores são especialmente necessários na abordagem clínica dos linfomas. Actualmente, esses tumores são diagnosticados através de uma combinação de características morfológicas, fenotípicas e moleculares, mas o prognóstico e o planeamento terapêutico estão quase exclusivamente dependentes de características clínicas. Estes factores clínicos são, na maioria dos linfomas, insuficientes numa proporção significativa dos doentes, em particular, aqueles com pior prognóstico. O linfoma folicular (LF) é, globalmente, o segundo subtipo mais comum de linfoma. É tipicamente uma doença indolente com uma sobrevida média entre os 8 e 12 anos, mas é geralmente fatal quando se transforma num linfoma agressivo de alto grau, habitualmente o linfoma difuso de grandes células B (LDGCB). Morfologicamente e funcionalmente, as células do LF recapitulam as células normais do centro germinativo na sua dependência de sobrevivência do microambiente não-tumoral, especialmente das células do sistema imunológico. Biomarcadores preditivos de transformação não existem pelo que um melhor conhecimento da biologia intrínseca de progressão do LF poderá revelar novos candidatos. Nesta tese descrevo duas abordagens distintas para a descoberta de novos biomarcadores. A primeira, o estudo da expressão global de genes ('genomics') obtidos por técnicas de alto rendimento que analisam todo o genoma humano sequenciado, permitindo identificar novas anomalias genéticas que possam representar mecanismos biológicos importantes de transformação. São descritos novos genes e alterações genómicas associados à transformação do LF, sendo especialmente relevantes as relacionadas com os eventos iniciais de transformação em LDGCB. A segunda, baseou-se em várias hipóteses centradas no microambiente do LF, rico em vários tipos de células nãomalignas. Os estudos imunoarquitectural de macrófagos, células T regulatórias e densidade de microvasos efectuado em biopsias de diagnóstico de doentes com LF tratados uniformemente correlacionaram-se significativamente, e independentemente dos critérios clínicos, com a evolução clínica e, mais importante, com o risco de transformação em LDGCB. Nesta tese, foram preferencialmente utilizadas (e optimizadas) técnicas que permitam o uso de amostras fixadas em parafina e formalina (FFPET). Estas são facilmente acessíveis a partir das biopsias de diagnóstico de rotina presentes nos arquivos de todos os departamentos de patologia, facilitando uma transição rápida dos novos marcadores para a prática clínica. Embora o FL fosse o tema principal da tese, os novos achados permitiram estender facilmente hipóteses semelhantes a outros subtipos de linfoma. Assim, são propostos e validados vários biomarcadores promissores e relacionados com o microambiente não tumoral, sobretudo dependentes das células do sistema imunológico, como contribuintes importantes para a biologia dos linfomas. Estes sugerem novas opções para a abordagem clínica destas doenças e, eventualmente, novos alvos terapêuticos.------------- ABSTRACT: Cancer biomarkers provide an opportunity to identify those patients most at risk for disease recurrence, predict which tumours will respond to different therapeutic approaches and ultimately define candidate biomarkers that may serve as targets for personalized therapy. New biomarkers are especially needed in the management of lymphoid cancers. At present, these tumours are diagnosed using a combination of morphologic, phenotypic and molecular features but prognosis and overall survival are mostly dependent on clinical characteristics. In most lymphoma types, these imprecisely assess a significant proportion of patients, in particular, those with very poor outcomes. Follicular lymphoma (FL) is the second most common lymphoma subtype worldwide. It is typically an indolent disease with current median survivals in the range of 8-12 years, but is usually fatal when it transforms into an aggressive high-grade lymphoma, characteristically Diffuse Large B Cell Lymphoma (DLBCL). Morphologically and functionally it recapitulates the normal cells of the germinal center with its survival dependency on non-malignant immune and immunerelated cells. Informative markers of transformation related to the intrinsic biology of FL progression are needed. Within this thesis two separate approaches to biomarker discovery were employed. The first was to study the global expression of genes (‘genomics’) obtained using high-throughput, wholegenome-wide approaches that offered the possibility for discovery of new genetic abnormalities that might represent the important biological mechanisms of transformation. Gene signatures associated with early events of transformation were found. Another approach relied on hypothesis-driven concepts focusing upon the microenvironment, rich in several non-malignant cell types. The immunoarchitectural studies of macrophages, regulatory T cells and microvessel density on diagnostic biopsies of uniformly treated FL patients significantly predicted clinical outcome and, importantly, also informed on the risk of transformation. Techniques that enabled the use of routine formalin fixed paraffin embedded diagnostic specimens from the pathology department archives were preferentially used in this thesis with the goal of fulfilling a rapid bench-to-beside” translation for these new findings. Although FL was the main subject of the thesis the new findings and hypotheses allowed easy transition into other lymphoma types. Several promising biomarkers were proposed and validated including the implication of several non-neoplastic immune cells as important contributors to lymphoma biology, opening new options for better treatment planning and eventually new therapeutic targets and candidate therapeutics.

Cancer theranostics: multifunctional gold nanoparticles for diagnostics and therapy

Doctorate in Biology, Specialty in Biotechnology

Evaluation of chemotherapeutic potential of natural extracts using 3D models of colon cancer

Dissertation to obtain master degree in Biotechnology

Integrated functional genomics for improved manufacture of recombinant enveloped virus

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering and Technology Sciences-Biotechnology

Development of a "green process" for the isolation of natural functional extracts with anti-cancer activity - Application of high-pressure technology

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Cues for cancer stem cells origin

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina

Transimpedance amplifier for early detection of breast cancer

Breast cancer is the most common type of cancer worldwide. The effectiveness of its treatment depends on early stage detection, as well as on the accuracy of its diagnosis. Recently, diagnosis techniques have been submitted to relevant breakthroughs with the upcoming of Magnetic Resonance Imaging, Ultrasound Sonograms and Positron Emission Tomography (PET) scans, among others. The work presented here is focused on studying the application of a PET system to a Positron Emission Mammography (PEM) system. A PET/PEM system works under the principle that a scintillating crystal will detect a gamma-ray pulse, originated at the cancerous cells, converting it into a correspondent visible light pulse. The latter must then be converted into an electrical current pulse by means of a Photo- -Sensitive Device (PSD). After the PSD there must be a Transimpedance Amplifier (TIA) in order to convert the current pulse into a suitable output voltage, in a time period lower than 40 ns. In this Thesis, the PSD considered is a Silicon Photo-Multiplier (SiPM). The usage of this recently developed type of PSD is impracticable with the conventional TIA topologies, as it will be proven. Therefore, the usage of the Regulated Common-Gate (RCG) topology will be studied in the design of the amplifier. There will be also presented two RCG variations, comprising a noise response improvement and differential operation of the circuit. The mentioned topology will also be tested in a Radio-Frequency front-end, showing the versatility of the RCG. A study comprising a low-voltage self-biasing feedback TIA will also be shown. The proposed circuits will be simulated with standard CMOS technology (UMC 130 nm), using a 1.2 V power supply. A power consumption of 0.34 mW with a signal-to-noise ratio of 43 dB was achieved.

Assessment of Notch1 ligands production - key protein targets in breast cancer

Cell-to-cell communication is required for many biological processes in development and adult life. One of the most common systems utilized by a wide range of eukaryotes is the Notch signalling pathway. Four Notch receptors and five ligands have been identified in mammals that interact via their extracellular domains leading to transcription activation. Studies have shown that the Notch ligands expression is undetectable in normal breast tissues, but moderate to high expression has been detected in breast cancer. Thus, any of the Notch1 ligands can be studied as possible therapeutic targets for breast cancer. To study Notch pathway proteins there is the need to obtain stable protein solutions. E. coli is the host of excellence for recombinant proteins for the ease of use, fast growth and high cell densities. However, the expression of mammalian proteins in such systems may overwhelm the bacterial cellular machinery, which does not possess the ability for post-translational modifications, or dedicated compartments for protein synthesis. Mammalian cells are therefore preferred, despite their technical and financial increased demands. We aim to determine the best expression and purification conditions for the different ligand protein constructs, to develop specific function-blocking antibodies using the Phage Display technology. Moreover, we propose to crystallize the Notch1 ligands alone and in complex with the phage display selected antibodies, unveiling molecular details. hJag2DE3 and hDll1DE6 proteins were purified from refolded inclusion bodies or mammalian cell culture supernatants, respectively, and purity was confirmed by SDS-PAGE (>95%). Protein produced in mammalian cells showed to be more stable, apparently with the physiological disulfide pattern, contrary to what was observed in the refolded protein. Several nano-scale crystallization experiments were set up in 96-well plates, but no positive result was obtained. We will continue to pursue for the best expression for the Notch ligand constructs in both expression systems.

Microwave imaging of the axilla to aid breast cancer diagnosis

Breast cancer is the most common type of cancer among women all over the world. An important issue that is not commonly addressed in breast cancer imaging literature is the importance of imaging the underarm region—where up to 80% of breast cancer cells can metastasise to. The first axillary lymph nodes to receive drainage from the primary tumour in the breast are called Sentinel Node. If cancer cells are found in the Sentinel Node, there is an increased risk of metastatic breast cancer which makes this evaluation crucial to decide what follow-up exams and therapy to follow. However, non-invasive detection of cancer cells in the lymph nodes is often inconclusive, leading to the surgical removal of too many nodes which causes adverse side-effects for patients. Microwave Imaging is one of the most promising non-invasive imaging modalities for breast cancer early screening and monitoring. This novel study tests the feasibility of imaging the axilla region by means of the simulation of an Ultra-Wideband Microwave Imaging system. Simulations of such system are completed in several 2D underarm models that mimic the axilla. Initial imaging results are obtained by means of processing the simulated backscattered signals by eliminating artefacts caused by the skin and beamforming the processed signals in order to time-align all the signals recorded at each antenna. In this dissertation several image formation algorithms are implemented and compared by visual inspection of the resulting images and through a range of performance metrics, such as Signal-to-Clutter Ratio and FullWidth Half Maximum calculations. The results in this study showed that Microwave Imaging is a promising technique that might allow to identify the presence and location of metastasised cancer cells in axillary lymph nodes, enabling the non-invasive evaluation of breast cancer staging.

Phage display as a tool for development of novel therapeutics for breast cancer

Phage display technology is a powerful platform for the generation of highly specific human monoclonal antibodies (Abs) with potential use in clinical applications. Moreover, this technique has also proven to be a reliable approach in identifying and validating new cancer-related targets. For scientific or medical applications, different types of Ab libraries can be constructed. The use of Fab Immune libraries allows the production of high quality and affinity antigen-specific Abs. In this work, two immune human phage display IgG Fab libraries were generated from the Ab repertoire of 16 breast cancer patients, in order to obtain a tool for the development of new therapeutic Abs for breast cancer, a condition that has great impact worldwide. The generated libraries are estimated to contain more than 108 independent clones and a diversity over 90%. Libraries validation was pursued by selection against BSA, a foreign and highly immunogenic protein, and HER2, a well established cancer target. Preliminary results suggested that phage pools with affinity for these antigens were selected and enriched. Individual clones were isolated, however, it was not possible to obtain enough data to further characterize them. Selection against the DLL1 protein was also performed, once it is a known ligand of the Notch pathway, whose deregulation is associated to breast cancer, making it an interesting target for the generation of function-blocking Abs. Selection resulted in the isolation of a clone with low affinity and Fab expression levels. The validation process was not completed and further effort will have to be put in this task in the future. Although immune libraries concept implies limited applicability, the library reported here has a wide range of use possibilities, since it was not restrained to a single antigen but instead thought to be used against any breast cancer associated target, thus being a valuable tool.

Immunohistochemistry detection of putative miR-200c and miR-203 targets in breast cancer patients

Part of this thesis will be published in the following: Gomes, B.C., Santos, B. 2015. Methods for studying microRNAs expression and their targets in formalin-fixed, paraffin-embedded (FFPE) breast cancer tissues. In Methods in Molecular Biology: Cancer Drug Resistance (Rueff, J. & Rodrigues, A.S. eds), Springer Protocols.