Development and validation of gold nanoprobes for human SNP detection towards commercial application

Conventional molecular techniques for detection and characterization of relevant nucleic acid (i.e. DNA) sequences are, nowadays, cumbersome, expensive and with reduced portability. The main objective of this dissertation consisted in the optimization and validation of a fast and low-cost colorimetric nanodiagnostic methodology for the detection of single nucleotide polymorphisms (SNPs). This was done considering SNPs associated to obesity of commercial interest for STAB VIDA, and subsequent evaluation of other clinically relevant targets. Also, integration of this methodology into a microfluidic platform envisaging portability and application on points-of-care (POC) was achieved. To warrant success in pursuing these objectives, the experimental work was divided in four sections: i) genetic association of SNPs to obesity in the Portuguese population; ii) optimization and validation of the non-cross-linking approach for complete genotype characterization of these SNPs; iii) incorporation into a microfluidic platform; and iv) translation to other relevant commercial targets. FTO dbSNP rs#:9939609 carriers had higher body mass index (BMI), total body fat mass, waist perimeter and 2.5 times higher risk to obesity. AuNPs functionalized with thiolated oligonucleotides (Au-nanoprobes) were used via the non-cross-linking to validate a diagnostics approach against the gold standard technique - Sanger Sequencing - with high levels of sensitivity (87.50%) and specificity (91.67%). A proof-of-concept POC microfluidic device was assembled towards incorporation of the molecular detection strategy. In conclusion a successful framework was developed and validated for the detection of SNPs with commercial interest for STAB VIDA, towards future translation into a POC device.

Métodos estatísticos aplicados à modelação de dados oncológicos

RESUMO: A estrutura demográfica portuguesa é marcada por baixas taxas de natalidade e mortalidade, onde a população idosa representa uma fatia cada vez mais representativa, fruto de uma maior longevidade. A incidência do cancro, na sua generalidade, é maior precisamente nessa classe etária. A par de outras doenças igualmente lesivas (e.g. cardiovasculares, degenerativas) cuja incidência aumenta com a idade, o cancro merece relevo. Estudos epidemiológicos apresentam o cancro como líder mundial na mortalidade. Em países desenvolvidos, o seu peso representa 25% do número total de óbitos, percentagem essa que mais que duplica noutros países. A obesidade, a baixa ingestão de frutas e vegetais, o sedentarismo, o consumo de tabaco e a ingestão de álcool, configuram-se como cinco dos fatores de risco presentes em 30% das mortes diagnosticadas por cancro. A nível mundial e, em particular no Sul de Portugal, os cancros do estômago, recto e cólon apresentam elevadas taxas de incidência e de mortalidade. Do ponto de vista estritamente económico, o cancro é a doença que mais recursos consome enquanto que do ponto de vista físico e psicológico é uma doença que não limita o seu raio de ação ao doente. O cancro é, portanto, uma doença sempre atual e cada vez mais presente, pois reflete os hábitos e o ambiente de uma sociedade, não obstante as características intrínsecas a cada indivíduo. A adoção de metodologia estatística aplicada à modelação de dados oncológicos é, sobretudo, valiosa e pertinente quando a informação é oriunda de Registos de Cancro de Base Populacional (RCBP). A pertinência é justificada pelo fato destes registos permitirem aferir numa população específica, o risco desta sofrer e/ou vir a sofrer de uma dada neoplasia. O peso que as neoplasias do estômago, cólon e recto assumem foi um dos elementos que motivou o presente estudo que tem por objetivo analisar tendências, projeções, sobrevivências relativas e a distribuição espacial destas neoplasias. Foram considerados neste estudo todos os casos diagnosticados no período 1998-2006, pelo RCBP da região sul de Portugal (ROR-Sul). O estudo descritivo inicial das taxas de incidência e da tendência em cada uma das referidas neoplasias teve como base uma única variável temporal - o ano de diagnóstico - também designada por período. Todavia, uma metodologia que contemple apenas uma única variável temporal é limitativa. No cancro, para além do período, a idade à data do diagnóstico e a coorte de nascimento, são variáveis temporais que poderão prestar um contributo adicional na caracterização das taxas de incidência. A relevância assumida por estas variáveis temporais justificou a sua inclusão numaclasse de modelos designada por modelos Idade-Período-Coorte (Age-Period-Cohort models - APC), utilizada na modelação das taxas de incidência para as neoplasias em estudo. Os referidos modelos permitem ultrapassar o problema de relações não lineares e/ou de mudanças súbitas na tendência linear das taxas. Nos modelos APC foram consideradas a abordagem clássica e a abordagem com recurso a funções suavizadoras. A modelação das taxas foi estratificada por sexo. Foram ainda estudados os respectivos submodelos (apenas com uma ou duas variáveis temporais). Conhecido o comportamento das taxas de incidência, uma questão subsequente prende-se com a sua projeção em períodos futuros. Porém, o efeito de mudanças estruturais na população, ao qual Portugal não é alheio, altera substancialmente o número esperado de casos futuros com cancro. Estimativas da incidência de cancro a nível mundial obtidas a partir de projeções demográficas apontam para um aumento de 25% dos casos de cancro nas próximas duas décadas. Embora a projeção da incidência esteja associada a alguma incerteza, as projeções auxiliam no planeamento de políticas de saúde para a afetação de recursos e permitem a avaliação de cenários e de intervenções que tenham como objetivo a redução do impacto do cancro. O desconhecimento de projeções da taxa de incidência destas neoplasias na área abrangida pelo ROR-Sul, levou à utilização de modelos de projeção que diferem entre si quanto à sua estrutura, linearidade (ou não) dos seus coeficientes e comportamento das taxas na série histórica de dados (e.g. crescente, decrescente ou estável). Os referidos modelos pautaram-se por duas abordagens: (i)modelos lineares no que concerne ao tempo e (ii) extrapolação de efeitos temporais identificados pelos modelos APC para períodos futuros. Foi feita a projeção das taxas de incidência para os anos de 2007 a 2010 tendo em conta o género, idade e neoplasia. É ainda apresentada uma estimativa do impacto económico destas neoplasias no período de projeção. Uma questão pertinente e habitual no contexto clínico e a que o presente estudo pretende dar resposta, reside em saber qual a contribuição da neoplasia em si para a sobrevivência do doente. Nesse sentido, a mortalidade por causa específica é habitualmente utilizada para estimar a mortalidade atribuível apenas ao cancro em estudo. Porém, existem muitas situações em que a causa de morte é desconhecida e, mesmo que esta informação esteja disponível através dos certificados de óbito, não é fácil distinguir os casos em que a principal causa de morte é devida ao cancro. A sobrevivência relativa surge como uma medida objetiva que não necessita do conhecimento da causa específica da morte para o seu cálculo e dar-nos-á uma estimativa da probabilidade de sobrevivência caso o cancro em análise, num cenário hipotético, seja a única causa de morte. Desconhecida a principal causa de morte nos casos diagnosticados com cancro no registo ROR-Sul, foi determinada a sobrevivência relativa para cada uma das neoplasias em estudo, para um período de follow-up de 5 anos, tendo em conta o sexo, a idade e cada uma das regiões que constituem o registo. Foi adotada uma análise por período e as abordagens convencional e por modelos. No epílogo deste estudo, é analisada a influência da variabilidade espaço-temporal nas taxas de incidência. O longo período de latência das doenças oncológicas, a dificuldade em identificar mudanças súbitas no comportamento das taxas, populações com dimensão e riscos reduzidos, são alguns dos elementos que dificultam a análise da variação temporal das taxas. Nalguns casos, estas variações podem ser reflexo de flutuações aleatórias. O efeito da componente temporal aferida pelos modelos APC dá-nos um retrato incompleto da incidência do cancro. A etiologia desta doença, quando conhecida, está associada com alguma frequência a fatores de risco tais como condições socioeconómicas, hábitos alimentares e estilo de vida, atividade profissional, localização geográfica e componente genética. O “contributo”, dos fatores de risco é, por vezes, determinante e não deve ser ignorado. Surge, assim, a necessidade em complementar o estudo temporal das taxas com uma abordagem de cariz espacial. Assim, procurar-se-á aferir se as variações nas taxas de incidência observadas entre os concelhos inseridos na área do registo ROR-Sul poderiam ser explicadas quer pela variabilidade temporal e geográfica quer por fatores socioeconómicos ou, ainda, pelos desiguais estilos de vida. Foram utilizados os Modelos Bayesianos Hierárquicos Espaço-Temporais com o objetivo de identificar tendências espaço-temporais nas taxas de incidência bem como quantificar alguns fatores de risco ajustados à influência simultânea da região e do tempo. Os resultados obtidos pela implementação de todas estas metodologias considera-se ser uma mais valia para o conhecimento destas neoplasias em Portugal.------------ABSTRACT: mortality rates, with the elderly being an increasingly representative sector of the population, mainly due to greater longevity. The incidence of cancer, in general, is greater precisely in that age group. Alongside with other equally damaging diseases (e.g. cardiovascular,degenerative), whose incidence rates increases with age, cancer is of special note. In epidemiological studies, cancer is the global leader in mortality. In developed countries its weight represents 25% of the total number of deaths, with this percentage being doubled in other countries. Obesity, a reduce consumption of fruit and vegetables, physical inactivity, smoking and alcohol consumption, are the five risk factors present in 30% of deaths due to cancer. Globally, and in particular in the South of Portugal, the stomach, rectum and colon cancer have high incidence and mortality rates. From a strictly economic perspective, cancer is the disease that consumes more resources, while from a physical and psychological point of view, it is a disease that is not limited to the patient. Cancer is therefore na up to date disease and one of increased importance, since it reflects the habits and the environment of a society, regardless the intrinsic characteristics of each individual. The adoption of statistical methodology applied to cancer data modelling is especially valuable and relevant when the information comes from population-based cancer registries (PBCR). In such cases, these registries allow for the assessment of the risk and the suffering associated to a given neoplasm in a specific population. The weight that stomach, colon and rectum cancers assume in Portugal was one of the motivations of the present study, that focus on analyzing trends, projections, relative survival and spatial distribution of these neoplasms. The data considered in this study, are all cases diagnosed between 1998 and 2006, by the PBCR of Portugal, ROR-Sul.Only year of diagnosis, also called period, was the only time variable considered in the initial descriptive analysis of the incidence rates and trends for each of the three neoplasms considered. However, a methodology that only considers one single time variable will probably fall short on the conclusions that could be drawn from the data under study. In cancer, apart from the variable period, the age at diagnosis and the birth cohort are also temporal variables and may provide an additional contribution to the characterization of the incidence. The relevance assumed by these temporal variables justified its inclusion in a class of models called Age-Period-Cohort models (APC). This class of models was used for the analysis of the incidence rates of the three cancers under study. APC models allow to model nonlinearity and/or sudden changes in linear relationships of rate trends. Two approaches of APC models were considered: the classical and the one using smoothing functions. The models were stratified by gender and, when justified, further studies explored other sub-models where only one or two temporal variables were considered. After the analysis of the incidence rates, a subsequent goal is related to their projections in future periods. Although the effect of structural changes in the population, of which Portugal is not oblivious, may substantially change the expected number of future cancer cases, the results of these projections could help planning health policies with the proper allocation of resources, allowing for the evaluation of scenarios and interventions that aim to reduce the impact of cancer in a population. Worth noting that cancer incidence worldwide obtained from demographic projections point out to an increase of 25% of cancer cases in the next two decades. The lack of projections of incidence rates of the three cancers under study in the area covered by ROR-Sul, led us to use a variety of forecasting models that differ in the nature and structure. For example, linearity or nonlinearity in their coefficients and the trend of the incidence rates in historical data series (e.g. increasing, decreasing or stable).The models followed two approaches: (i) linear models regarding time and (ii) extrapolation of temporal effects identified by the APC models for future periods. The study provide incidence rates projections and the numbers of newly diagnosed cases for the year, 2007 to 2010, taking into account gender, age and the type of cancer. In addition, an estimate of the economic impact of these neoplasms is presented for the projection period considered. This research also try to address a relevant and common clinical question in these type of studies, regarding the contribution of the type of cancer to the patient survival. In such studies, the primary cause of death is commonly used to estimate the mortality specifically due to the cancer. However, there are many situations in which the cause of death is unknown, or, even if this information is available through the death certificates, it is not easy to distinguish the cases where the primary cause of death is the cancer. With this in mind, the relative survival is an alternative measure that does not need the knowledge of the specific cause of death to be calculated. This estimate will represent the survival probability in the hypothetical scenario of a certain cancer be the only cause of death. For the patients with unknown cause of death that were diagnosed with cancer in the ROR-Sul, the relative survival was calculated for each of the cancers under study, for a follow-up period of 5 years, considering gender, age and each one of the regions that are part the registry. A period analysis was undertaken, considering both the conventional and the model approaches. In final part of this study, we analyzed the influence of space-time variability in the incidence rates. The long latency period of oncologic diseases, the difficulty in identifying subtle changes in the rates behavior, populations of reduced size and low risk are some of the elements that can be a challenge in the analysis of temporal variations in rates, that, in some cases, can reflect simple random fluctuations. The effect of the temporal component measured by the APC models gives an incomplete picture of the cancer incidence. The etiology of this disease, when known, is frequently associated to risk factors such as socioeconomic conditions, eating habits and lifestyle, occupation, geographic location and genetic component. The "contribution"of such risk factors is sometimes decisive in the evolution of the disease and should not be ignored. Therefore, there was the need to consider an additional approach in this study, one of spatial nature, addressing the fact that changes in incidence rates observed in the ROR-Sul area, could be explained either by temporal and geographical variability or by unequal socio-economic or lifestyle factors. Thus, Bayesian hierarchical space-time models were used with the purpose of identifying space-time trends in incidence rates together with the the analysis of the effect of the risk factors considered in the study. The results obtained and the implementation of all these methodologies are considered to be an added value to the knowledge of these neoplasms in Portugal.

Genetic diversity and epidemiology of antimicrobial resistant Streptococcus pneumoniae isolates

Dissertation presented to obtain a Ph.D. degree in Biology, speciality in Microbiology, by Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

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

Sentido de coerência : ligação materno-fetal e estilo de vida da mulher durante a gravidez

RESUMO - Um dos grandes desafios actuais enfrentados pela Saúde Pública diz respeito ao fardo representado pelas doenças crónicas não transmissíveis enquanto co-responsáveis pela maioria das mortes que ocorrem no mundo, pela significativa e progressiva redução da qualidade de vida e aumento das incapacidades dos indivíduos afectados e por uma fasquia bastante elevada das despesas em saúde. Entretanto, a complexa dinâmica genética, biológica, psicológica, afectiva, sócio-cultural e ambiental que envolve o comportamento humano, tão amplamente relacionado com algumas destas doenças – doenças cardiovasculares, alguns tipos de cancro, obesidade, hipertensão, diabetes e doenças osteo-articulares – impõe o desafio constante da busca de novas e efectivas intervenções em promoção da saúde que influenciem positivamente os estilos de vida dos indivíduos, dos grupos e das comunidades. Sendo o sentido de coerência um traço da personalidade do indivíduo desenvolvido sob a influência directa ou indirecta dos mesmo factores acima referidos, o estabelecimento de uma relação entre este constructo e os comportamentos humanos pode revelar-se promissor para a elaboração de novas intervenções em promoção da saúde. Por sua vez, a gravidez, talvez por influência da ligação materno-fetal, pode representar um ponto de viragem na vida da mulher no que respeita ao sentido de coerência e aos comportamentos de saúde e um bom começo na vida do bebé que irá nascer sob a influência dos mesmos. Com a finalidade de contribuir para a construção de intervenções efectivas em promoção da saúde, através da descoberta de prováveis potencialidades salutogénicas dos constructos referidos – sentido de coerência e ligação materno-fetal –, foi desenvolvido um estudo quantitativo, observacional que teve por objectivos: ampliar o conhecimento sobre as mudanças do sentido de coerência no decorrer da vida, especificamente durante a gravidez; ampliar o conhecimento acerca das relações de alguns factores de natureza sócio-demográfica, psico-afectiva e obstétrica com o sentido de coerência das mulheres grávidas e com a ligação materno-fetal; e identificar possíveis relações entre o sentido de coerência, a ligação materno-fetal e o estilo de vida das mulheres grávidas, este último representado pelos hábitos alimentares, consumo de cafeína, consumo de álcool, hábitos tabágicos, prática regular de actividade física e ganho de peso durante a gravidez. O presente relatório descreve a concepção e os resultados deste estudo, que envolveu a uma amostra de 61 mulheres grávidas que estavam a ser acompanhadas nos serviços de saúde materna dos Centros de Saúde de Carnaxide extensão Linda-a-Velha e de Oeiras, no Distrito de Lisboa, Portugal, entre os meses de Fevereiro e Julho de 2005. Os resultados demonstram que, para a amostra de 61 mulheres grávidas que responderam ao inquérito por questionário de auto-resposta, foram encontradas associações estatisticamente significativas entre o sentido de coerência e a escolaridade e entre o sentido de coerência e a percepção do próprio estado de saúde. Além disso, foi encontrada alguma evidência das associações entre o sentido de coerência e a faixa etária, estado civil e rendimento mensal familiar e foi observada alguma tendência para que as mulheres grávidas com níveis de sentido de coerência mais elevados consumissem menos álcool do que as mulheres grávidas com níveis de sentido de coerência inferiores. Entretanto, as demais associações testadas não foram confirmadas. Relativamente à ligação materno-fetal, foram encontradas, para a amostra de 41 mulheres grávidas que participaram do segundo momento de colheita de dados do estudo, entre a 20ª e a 24ª semanas de gravidez, associações estatisticamente significativas com a escolaridade e o nível de rendimento familiar das mulheres grávidas, não tendo sido confirmadas as demais associações testadas. Embora não tenham sido estatisticamente evidenciadas as relações entre o sentido de coerência e a ligação materno-fetal e entre estes e os comportamentos de saúde, o carácter preliminar destes resultados, devido à subjectividade do processo de selecção não probabilístico da amostra estudada e à reduzida dimensão desta amostra, e a escassez de estudos descritos na literatura fazem com que seja prudente a realização de estudos de follow-up, com amostras de maiores dimensões, aleatórias e representativas da população, para que sejam estabelecidas quaisquer conclusões acerca destas questões.-----------------------------ABSTRACT - One of the greatest challenges faced by Public Health in nowadays is the burden represented by chronic diseases as co-responsible for the majority of deaths that occurs in the world, for the meaningful and progressive reduction of quality of life and increase of disabilities in affected individuals and for an important part of health expenses. However, the complexity of the genetic, biological, psychological, emotional, social, cultural and environmental dynamics that involves human behaviours related to some of these diseases – cardiovascular diseases, some kind of cancers, obesity, hypertension, diabetes and joint and bone diseases – poses the continuous challenge of searching for new and effective interventions of health promotion that positively influence individuals, groups and community lifestyles. Due to the fact that sense of coherence is an individual personality trace directly or indirectly influenced by the same factors listed above, the discovery of a relationship between this construct and human behaviours might be promising to the creation of new health promotion interventions. On the other hand, pregnancy may represent a turn point to the mother’s life and a good start in the baby’s life in relation to sense of coherence and health behaviours and It might occur because of the influence of maternal-fetal attachment. With the purpose of contributing with the creation of effective health promotion interventions through the discovery of probable salutogenic potentials in the referred constructs – sense of coherence and maternal-fetal attachment – , it was developed a quantitative observational study with the following objectives: to increase knowledge about changes in sense of coherence throughout life, specifically during pregnancy; to increase knowledge about the relationship between sense of coherence and maternal-fetal attachment and some social, demographical, psychological, emotional and obstetric factors of pregnant women; to identify probable relationships between sense of coherence, maternal-fetal attachment and pregnant women’s lifestyles, represented by diet habits, caffeine consumption, alcohol consumption, smoking habits, physical activity habits and weigh gain during pregnancy. This report describes the structure and the findings of this study involving a sample of 61 pregnant women who had been followed by health professionals in the mother health services of Carnaxide (Linda-a-Velha unity) and Oeiras Health Centres, in Lisbon, Portugal, between February and July of 2005. The results show that, for the 61 pregnant women who filled the self-reported questionnaire, it was found a statistically significant association between sense of coherence and education level. It was also found some evidence of the associations between sense of coherence and age, marital status and mensal household income and a trend toward pregnant women with higher levels of sense of coherence to drink less alcoholic beverages than pregnant women with lower levels of sense of coherence. However, the others associations tested were not confirmed. Regarding maternal-fetal attachment, it was found, for the sample of 41 women who participated in the second moment of data collection, between the 20th and the 24th week of pregnancy, statistically significant associations with education level and mensal household income. The others associations tested were not confirmed. Although the associations between sense of coherence and maternal-fetal attachment and between these constructs and health behaviours were not confirmed, all findings presented here are considered preliminary because of small dimension of sample and non-probabilistic criteria used for sample selection. What’s more, there are almost no studies described in the literature which could confirm or contradict these findings. Therefore, it is better to be careful and develop follow-up studies, with bigger and representative of population samples, before draw any conclusions about these theme.

Genetic diversity of arginine catabolic mobile element in Staphylococcus epidermidis

PLos One, 4(11): ARTe7722

Cerebral vasculopathy in children with sickle cell disease A study of genetic modulators of the disease

Sickle cell disease (SCD) is a genetic disorder with recessive transmission, caused by the mutation HBB:c.20A>T. It originates hemoglobin S that forms polymers inside the erythrocyte, upon deoxygenation, deforming it and ultimately leading to premature hemolysis. The disease presents with high heterogeneity of clinical manifestations, the most devastating of which, ischemic stroke, occurs in 11% of patients until 20 years of age. In this study, we tried to identify genetic modifiers of risk and episodes of stroke by studying 66 children with SCD, grouped according to the degree of cerebral vasculopathy (Stroke, Risk and Control). Association studies were performed between the three phenotypic groups and hematological and biochemical parameters of patients, as well as with 23 polymorphic regions in genes related to vascular cell adhesion (VCAM-1, THBS-1 and CD36), vascular tonus (NOS3 and ET-1) and inflammation (TNF-α and HMOX-1). Relevant data was collected from patient’s medical records. Known genetic modulators of SCD (beta-globin cluster haplotype and HBA and BCL11A genotypes) and putative genetic modifiers of cerebral vasculopathy were characterized. Differences in their distribution among groups were assessed. VCAM-1 rs1409419 allele C and NOS3 rs207044 allele C were associated to stroke events, while VCAM-1 rs1409419 allele T was found to be protective. Alleles 4a and 4b of NOS3 27 bp VNTR appeared to be respectively associated to stroke risk and protection. HMOX-1 longer STRs seemed to predispose to stroke. Higher hemoglobin F levels were found in Control group, as a result of Senegal haplotype or of BCL11A rs11886868 allele T, and higher lactate dehydrogenase levels, marker of hemolysis, were found in Risk group. Molecular mechanisms underlying the modifier functions of the relevant genetic variants are discussed.