Biomarcatori per il monitoraggio biologico di soggetti esposti ad agenti cancerogeni per il polmone

Riassunto I biomarcatori o “marcatori biologici” svolgono un ruolo fondamentale nel monitoraggio biologico. In questo lavoro ci siamo soffermati sullo studio di biomarcatori di effetto e di esposizione a xenobiotici ambientali. Nel primo caso abbiamo valutato i micro RNA (miRNA) da utilizzare per la diagnosi precoce del tumore al polmone in matrici di facile accesso, quale il CAE e il plasma, utilizzando il miRNA-21, oncogeno, e il miRNA-486, oncosoppressore. I risultati evidenziano una loro capacità di distinguere correttamente i soggetti con tumore polmonare dai soggetti sani, ipotizzando un loro utilizzo a scopo diagnostico. Nella seconda parte del lavoro di tesi sono stati studiati i biomarcatori di esposizione a benzene per valutare gli effetti dell’esposizione a concentrazioni ambientali su bambini residenti in città e a diverso livello di urbanizzazione. Lo studio ha evidenziato una correlazione dose-effetto fra le concentrazioni di benzene e dei suoi metaboliti urinari e un danno ossidativo a livello degli acidi nucleici. Tuttavia, le concentrazioni di benzene urinario non sono influenzate dal grado di industrializzazione, a differenza dell’S-PMA e degli indicatori di stress ossidativo (8-oxodGuo e 8-oxoGuo) che sembrano risentire sia della residenza che del momento del campionamento. Infine abbiamo ricercato possibili biomarcatori di esposizione a vinilcicloesene (VCH), sottoprodotto industriale nella polimerizzazione del 1,3-butadiene, poiché non sono ancora stati proposti BEI di riferimento nonostante i bassi valori di TLV-TWA (0.1 ppm) proposti dall’ACGIH. Nella prima fase del lavoro abbiamo studiato i meccanismi di tossicità del VCH tramite modelli in vitro, testando varie linee cellulari. I risultati evidenziano come la dose reale di VCH sia di molto inferiore a quella nominale per effetto dell’evaporazione. Inoltre, nelle linee cellulari più sensibili si sono evidenziati effetti citostatici, con alterazioni del ciclo cellulare, a differenza dell’esposizione agli epossidi del VCH, il VCD e l’1,2-VCHME, che determinano lisi cellulare con IC50 di 3 ordini di grandezza inferiori a quelli del VCH. La quantificazione dei metaboliti di I fase e di II fase del VCH nelle linee cellulari epatiche ha evidenziato concentrazioni di circa 1000 volte inferiori a quelle del VCH confermando come la sua tossicità sia principalmente dovuta alla produzione degli intermedi epossidici. La trasformazione nei metaboliti di II fase conferma inoltre l’effetto detossificante del metabolismo. La trasferibilità dei risultati ottenuti in vitro su sistemi in vivo fornirà le basi per poter identificare possibili metaboliti da proporre per il monitoraggio biologico di lavoratori esposti a VCH. PAROLE CHIAVE: biomarcatori di effetto e di esposizione, tumore al polmone, miRNA, benzene, vinilcicloesene.

Avaliação dos biomarcadores urinários no controle do tratamento de estenose de junção ureteropélvica em adultos

INTRODUÇÃO E OBJETIVO: A estenose de junção ureteropélvica (EJUP) é importante causa de obstrução do trato urinário e pode levar a deterioração progressiva da função renal. Há espaço para o aprimoramento de novos métodos diagnósticos capazes de discriminar hidronefrose e uropatia obstrutiva. Acredita-se que os biomarcadores urinários podem fornecer indícios de lesão renal precoce na obstrução urinária. Neste contexto, KIM-1 pode elevar-se na urina por lesão tubular proximal, NGAL por lesão no túbulo proximal, distal ou alça de Henle, CA19-9 por produção excessiva no túbulo obstruído e ?2-microglobulina (beta2M) por injúria ao glomérulo ou ao túbulo proximal. O objetivo do presente estudo foi avaliar as propriedades diagnósticas dos biomarcadores urinários citados em adultos com EJUP, sendo o primeiro estudo na literatura a avaliar tais moléculas nesta população. MÉTODOS: Foram estudados de modo prospectivo pacientes consecutivos acima de 18 anos com diagnóstico de EJUP submetidos a pieloplastia videolaparoscópica de dezembro de 2013 a fevereiro de 2015. Foram excluídos do estudo pacientes com EJUP bilateral, rim contralateral patológico, EJUP em rim único, antecedentes de tratamento cirúrgico para estenose de JUP ou taxa de filtração glomerular inferior a 60 ml/min/1,73m2. Cada paciente forneceu quatro amostras de urina para medição de biomarcadores, uma no pré-operatório e outras com 1, 3 e 6 meses de seguimento pós-operatório. O grupo controle foi constituído por voluntários saudáveis sem hidronefrose à ultrassonografia. RESULTADOS: Foram incluídos 47 pacientes com idade média de 38,6 ± 12,7 anos (intervalo 19 a 64 anos), sendo 17 (36,2%) do sexo masculino e 30 (62,8%) do sexo feminino. O grupo controle foi composto por 40 indivíduos semelhantes ao grupo com EJUP no que concerne idade (p = 0,95) e sexo (p = 0,82). KIM-1 foi o marcador com melhores propriedades diagnósticas, apresentando área sob a curva (AUC) de 0,79 (95% CI 0,70 a 0,89). O NGAL, por sua vez, teve AUC de 0,71 (95% CI 0,61 a 0,83), CA19- 9 teve AUC de 0,70 (95% CI 0,60 a 0,81) e (beta2M) apresentou AUC de 0,61 (95% CI 0,50 a 0,73), sendo o único biomarcador com propriedades inadequadas neste cenário. O KIM-1 foi o marcador mais sensível com o ponto de corte 170,4 pg/mg de creatinina (sensibilidade 91,4%, especificidade 59,1%) e o CA 19-9 o mais específico para o ponto de corte de 51,3 U/mg de creatinina (sensibilidade 48,9%, especificidade 88,0%), enquanto o NGAL foi o que apresentou maior queda após desobstrução, com 90,0% dos pacientes apresentando clareamento superior a 50%. CONCLUSÕES: A avaliação dos biomarcadores urinários é útil no diagnóstico de obstrução em adultos com EJUP submetidos a pieloplastia videolaparoscópica. O KIM-1 foi o marcador mais sensível e o CA 19-9 o mais específico, enquanto o NGAL foi o que apresentou maior que com a desobstrução. Houve queda das concentrações dos marcadores após pieloplastia no período estudado. O papel exato dos biomarcadores urinários no cenário de obstrução em adultos deve ser mais amplamente investigado

Atividade nervosa simpática em pacientes com síndromes isquêmicas miocárdicas instáveis: estudo comparativo com marcadores inflamatórios

INTRODUÇÃO: Em pacientes com síndromes isquêmicas miocárdicas instáveis (SIMI), tanto a hiperatividade simpática quanto a resposta inflamatória exacerbada se associam a pior prognóstico. No entanto, ainda é desconhecido se existe alguma correlação entre esses dois marcadores de evolução desfavorável. OBJETIVOS: Correlacionar a atividade nervosa simpática muscular com marcadores inflamatórios nas fases precoce e tardia de pacientes portadores de SIMI. MÉTODOS: Pacientes hospitalizados com diagnóstico de SIMI e evolução favorável foram incluídos de forma prospectiva desde que apresentassem idade entre 18 e 65 anos e aterosclerose coronária comprovada por cinecoronariografia. Logo após a inclusão no estudo foram coletadas informações basais, e no quarto dia (± 1 dia) de internação os pacientes foram submetidos à avaliação da ANSM e coleta concomitante de amostra sanguínea para dosagem de proteína CReativa ultrassensível (PCR-us), interleucina-6 (IL6), e fosfolipase A2 associada à lipoproteína (Lp-PLA2). ANSM foi obtida pela técnica de microneurografia do nervo fibular. As medidas e respectivas análises de correlação foram repetidas em 1, 3 e 6 meses após a hospitalização. Correlações entre ANSM e marcadores inflamatórios foram analisadas por meio do teste de Pearson (variáveis de distribuição não-paramétrica foram transformadas logaritmicamente). Modelos de regressão linear múltipla foram criados para avaliar os efeitos independentes. RESULTADOS: Foram estudados 34 pacientes com idade média de 51,7±7,0 anos, sendo 79,4% do sexo masculino. A prevalência de hipertensão arterial foi de 64,7%, diabetes mellitus 8,8%, e doença arterial coronária prévia de 20,6%. A apresentação foi IAM com supradesnível de ST em 18 pacientes (52,9%), IAM sem supra de ST em 14 (41,2%) e angina instável em 02 pacientes (5,9%). Tanto ANSM quanto biomarcadores inflamatórios estavam elevados durante a fase aguda das SIMI e diminuíram ao longo do tempo. Na fase hospitalar, a mediana da PCR-us foi 17,75 (8,57; 40,15) mg/L, e IL-6 6,65 (4,45; 8,20) pg/ml, a Lp- PLA2 média foi 185,8 ± 52,2 nmol/min/ml, e ANSM média 64,2 ± 19,3 impulsos/100bpm. Após 6 meses, houve diminuição significativa de todas essas variáveis quando comparadas com a fase hospitalar. Entretanto, não houve correlação significativa entre a atividade simpática e qualquer dos marcadores inflamatórios analisados, em nenhuma das fases analisadas (p > 0,05), Por outro lado, ANSM se correlacionou independentemente com níveis de CKMB na fase aguda (p=0,027), e com fração de ejeção do VE na fase crônica (p=0,026). CONCLUSÃO: Apesar do aumento inicial dos níveis de marcadores inflamatórios e da atividade simpática em pacientes com SIMI, não houve correlação significativa entre esses parâmetros em nenhuma das fases analisadas, sugerindo que as alterações dessas variáveis estariam relacionadas a diferentes vias fisiopatológicas

Filtro respiratório reduz efeitos cardiovasculares associados à poluição: estudo randomizado, duplo-cego, controlado e cruzado em pacientes com insuficiência cardíaca (FILTER-HF trial)

Introdução A poluição do ar é um fator de risco associado com descompensação e mortalidade em pacientes com insuficiência cardíaca (IC). Objetivo Avaliar o impacto de um filtro de polipropileno sobre desfechos cardiovasculares em pacientes com IC e voluntários saudáveis durante exposição controlada à poluição. Métodos Ensaio clínico duplocego, controlado e cruzado, incluindo 26 pacientes com IC e 15 voluntários saudáveis, expostos a três protocolos diferentes de inalação randomizados por ordem: Ar Limpo; Exposição à Partículas de Exaustão do Diesel (ED); e ED filtrada. Os desfechos estudados foram função endotelial por índice de hiperemia reativa (RHi) e índice de aumento (Aix), biomarcadores séricos, variáveis de teste cardiopulmonar submáximo (caminhada de seis-minutos [tc6m]; consumo de oxigênio [VO2]; equivalente ventilatório de gás carbônico [VE/VCO2 slope]; consumo de O2 por batida [PulsoO2]) e variabilidade da frequência cardíaca (VFC). Resultados No grupo IC, a ED piorou o RHi [de 2,17 (IQR: 1,8-2,5) para 1,72 (IQR: 1,5-2,2); p=0,002], reduziu o VO2 [de 11.0 ± 3.9 para 8.4±2.8ml/Kg/min; p < 0.001], o tc6m [de 243,3±13 para 220,8 ± 14m; p=0,030] e o PulsoO2 [de 8.9 ± 1.0 para 7.8±0.7ml/bpm; p < 0.001]; e aumentou o BNP [de 47,0pg/ml (IQR: 17,3-118,0) para 66,5pg/ml (IQR: 26,5-155,5); p=0,004]. O filtro foi capaz de reduzir a concentração de poluição de 325±31 para 25±6?g/m3 (p < 0,001 vs. ED). No grupo IC, o filtro foi associado com melhora no RHi [2,06 (IQR: 1,5-2,6); p=0,019 vs. ED); aumento no VO2 (10.4 ± 3.8ml/Kg/min; p < 0.001 vs. ED) e PulsoO2 (9.7±1.1ml/bpm; p < 0.001 vs. ED); e redução no BNP [44,0pg/ml (IQR: 20,0-110,0); p=0,015 vs. ED]. Em ambos os grupos, a ED reduziu o Aix, sem efeito do filtro. O uso do filtro foi associado com maior ventilação e reinalação de CO2. Outras variáveis pesquisadas como VE/VCO2 slope e VFC não sofreram influências entre os protocolos. Conclusão A poluição do ar afetou adversamente o desempenho cardiovascular de pacientes com IC. Este é o primeiro ensaio clínico demonstrando que um simples filtrorespiratório pode prevenir a disfunção endotelial, a intolerância ao exercício e o aumento do BNP associados à poluição em pacientes com IC. O uso de máscaras com filtro tem o potencial de reduzir a morbidade associada à IC. Identificador ClinicalTrials.gov: NCT01960920

Assessment of disease progression in motor neuron disease

Motor neuron disease (MND) is characterised by progressive deterioration of the corticospinal tract, brainstem, and anterior horn cells of the spinal cord. There is no pathognomonic test for the diagnosis of MND, and physicians rely on clinical criteria-upper and lower motor neuron signs-for diagnosis. The presentations, clinical phenotypes, and outcomes of MND are diverse and have not been combined into a marker of disease progression. No single algorithm combines the findings of functional assessments and rating scales, such as those that assess quality of life, with biological markers of disease activity and findings from imaging and neurophysiological assessments. Here, we critically appraise developments in each of these areas and discuss the potential of such measures to be included in the future assessment of disease progression in patients with MND.

From complexity to category: Responding to diagnostic uncertainties of autistic spectrum disorders

Objective: Recent data from Education Queensland has identified rising numbers of children receiving diagnoses of autistic spectrum disorder (ASD). Faced with funding diagnostic pressures, in clinical situations that are complex and inherently uncertain, it is possible that specialists err on the side of a positive diagnosis. This study examines the extent to which possible overinclusion of ASD diagnosis may exist in the presence of uncertainty and factors potentially related to this practice in Queensland. Methods: Using anonymous self-report, all Queensland child psychiatrists and paediatricians who see paediatric patients with development/behavioural problems were surveyed and asked whether they had ever specified an ASD diagnosis in the presence of diagnostic uncertainty. Using logistic regression, elicited responses to the diagnostic uncertainty questions were related to other clinical- and practice-related characteristics. Results: Overall, 58% of surveyed psychiatrists and paediatricians indicated that, in the face of diagnostic uncertainty, they had erred on the side of providing an ASD diagnosis for educational ascertainment and 36% of clinicians had provided an autism diagnosis for Carer's Allowance when Centrelink diagnostic specifications had not been met. Conclusion: In the absence of definitive biological markers, ASD remains a behavioural diagnosis that is often complex and uncertain. In response to systems that demand a categorical diagnostic response, specialists are providing ASD diagnoses, even when uncertain. The motivation for this practice appears to be a clinical risk/benefit analysis of what will achieve the best outcomes for children. It is likely that these practices will continue unless systems change eligibility to funding based on functional impairment rather than medical diagnostic categories.

Evaluation of brief dietary questions to estimate vegetable and fruit consumption - using serum carotenoids and red-cell folate

Objective: To evaluate responses to self-administered brief questions regarding consumption of vegetables and fruit by comparison with blood levels of serum carotenoids and red-cell folate. Design: A cross-sectional study in which participants reported their usual intake of fruit and vegetables in servings per day, and serum levels of five carotenoids (alpha-carotene, beta-carotene, beta-cryptoxanthin, lutein/zeaxanthin and lycopene) and red-cell folate were measured. Serum carotenoid levels were determined by high-performance liquid chromatography, and red-cell folate by an automated immunoassay system. Settings and subjects: Between October and December 2000, a sample of 1598 adults aged 25 years and over, from six randomly selected urban centres in Queensland, Australia, were examined as part of a national study conducted to determine the prevalence of diabetes and associated cardiovascular risk factors. Results: Statistically significant (P < 0.01) associations with vegetable and fruit intake ( categorised into groups: = 4 servings per day) were observed for alpha-carotene, beta-carotene, beta-cryptoxanthin, lutein/zeaxanthin and red-cell folate. The mean level of these carotenoids and of red-cell folate increased with increasing frequency of reported servings of vegetables and fruit, both before and after adjusting for potential confounding factors. A significant association with lycopene was observed only for vegetable intake before adjusting for confounders. Conclusions: These data indicate that brief questions may be a simple and valuable tool for monitoring vegetable and fruit intake in this population.

New biomarkers and risk stratification in atrial fibrillation:simplicity and practicality matter

Advances in our understanding of pathological mechanisms can inform the identification of various biomarkers for risk stratification, monitoring drug efficacy and toxicity; and enabling careful monitoring of polypharmacy. Biomarkers in the broadest sense refer to 'biological markers' and this can be blood-based (eg. fibrin D-dimer, von Willebrand factor, etc) urine-based (eg. thromboxane), or even related to cardiac or cerebral imaging(1). Most biomarkers offer improvements over clinical risk scores in predicting high risk patients - at least statistically - but usually at the loss of simplicity and practicality for easy application in everyday clinical practice. Given the various biomarkers can be informed by different aspects of pathophysiology (e.g. inflammation, clotting, collagen turnover) they can nevertheless contribute to a better understanding of underlying disease processes(2). Indeed, many age-related diseases share common modifiable underpinning mechanisms e.g. inflammation, oxidative stress and visceral adiposity.

Discovering biomarkers for antidepressant response:protocol from the Canadian biomarker integration network in depression (CAN-BIND) and clinical characteristics of the first patient cohort

Background: Major Depressive Disorder (MDD) is among the most prevalent and disabling medical conditions worldwide. Identification of clinical and biological markers ("biomarkers") of treatment response could personalize clinical decisions and lead to better outcomes. This paper describes the aims, design, and methods of a discovery study of biomarkers in antidepressant treatment response, conducted by the Canadian Biomarker Integration Network in Depression (CAN-BIND). The CAN-BIND research program investigates and identifies biomarkers that help to predict outcomes in patients with MDD treated with antidepressant medication. The primary objective of this initial study (known as CAN-BIND-1) is to identify individual and integrated neuroimaging, electrophysiological, molecular, and clinical predictors of response to sequential antidepressant monotherapy and adjunctive therapy in MDD. Methods: CAN-BIND-1 is a multisite initiative involving 6 academic health centres working collaboratively with other universities and research centres. In the 16-week protocol, patients with MDD are treated with a first-line antidepressant (escitalopram 10-20 mg/d) that, if clinically warranted after eight weeks, is augmented with an evidence-based, add-on medication (aripiprazole 2-10 mg/d). Comprehensive datasets are obtained using clinical rating scales; behavioural, dimensional, and functioning/quality of life measures; neurocognitive testing; genomic, genetic, and proteomic profiling from blood samples; combined structural and functional magnetic resonance imaging; and electroencephalography. De-identified data from all sites are aggregated within a secure neuroinformatics platform for data integration, management, storage, and analyses. Statistical analyses will include multivariate and machine-learning techniques to identify predictors, moderators, and mediators of treatment response. Discussion: From June 2013 to February 2015, a cohort of 134 participants (85 outpatients with MDD and 49 healthy participants) has been evaluated at baseline. The clinical characteristics of this cohort are similar to other studies of MDD. Recruitment at all sites is ongoing to a target sample of 290 participants. CAN-BIND will identify biomarkers of treatment response in MDD through extensive clinical, molecular, and imaging assessments, in order to improve treatment practice and clinical outcomes. It will also create an innovative, robust platform and database for future research. Trial registration: ClinicalTrials.gov identifier NCT01655706. Registered July 27, 2012.

Developing multidimensional metrics for evaluating paediatric neurodevelopmental disorders

Healthy brain functioning depends on efficient communication of information between brain regions, forming complex networks. By quantifying synchronisation between brain regions, a functionally connected brain network can be articulated. In neurodevelopmental disorders, where diagnosis is based on measures of behaviour and tasks, a measure of the underlying biological mechanisms holds promise as a potential clinical tool. Graph theory provides a tool for investigating the neural correlates of neuropsychiatric disorders, where there is disruption of efficient communication within and between brain networks. This research aimed to use recent conceptualisation of graph theory, along with measures of behaviour and cognitive functioning, to increase understanding of the neurobiological risk factors of atypical development. Using magnetoencephalography to investigate frequency-specific temporal dynamics at rest, the research aimed to identify potential biological markers derived from sensor-level whole-brain functional connectivity. Whilst graph theory has proved valuable for insight into network efficiency, its application is hampered by two limitations. First, its measures have hardly been validated in MEG studies, and second, graph measures have been shown to depend on methodological assumptions that restrict direct network comparisons. The first experimental study (Chapter 3) addressed the first limitation by examining the reproducibility of graph-based functional connectivity and network parameters in healthy adult volunteers. Subsequent chapters addressed the second limitation through adapted minimum spanning tree (a network analysis approach that allows for unbiased group comparisons) along with graph network tools that had been shown in Chapter 3 to be highly reproducible. Network topologies were modelled in healthy development (Chapter 4), and atypical neurodevelopment (Chapters 5 and 6). The results provided support to the proposition that measures of network organisation, derived from sensor-space MEG data, offer insights helping to unravel the biological basis of typical brain maturation and neurodevelopmental conditions, with the possibility of future clinical utility.

Facial affect processing inbipolar disorder:a magnetoencephalography study

Background: Identifying biological markers to aid diagnosis of bipolar disorder (BD) is critically important. To be considered a possible biological marker, neural patterns in BD should be discriminant from those in healthy individuals (HI). We examined patterns of neuromagnetic responses revealed by magnetoencephalography (MEG) during implicit emotion-processing using emotional (happy, fearful, sad) and neutral facial expressions, in sixteen BD and sixteen age- and gender-matched healthy individuals. Methods: Neuromagnetic data were recorded using a 306-channel whole-head MEG ELEKTA Neuromag System, and preprocessed using Signal Space Separation as implemented in MaxFilter (ELEKTA). Custom Matlab programs removed EOG and ECG signals from filtered MEG data, and computed means of epoched data (0-250ms, 250-500ms, 500-750ms). A generalized linear model with three factors (individual, emotion intensity and time) compared BD and HI. A principal component analysis of normalized mean channel data in selected brain regions identified principal components that explained 95% of data variation. These components were used in a quadratic support vector machine (SVM) pattern classifier. SVM classifier performance was assessed using the leave-one-out approach. Results: BD and HI showed significantly different patterns of activation for 0-250ms within both left occipital and temporal regions, specifically for neutral facial expressions. PCA analysis revealed significant differences between BD and HI for mild fearful, happy, and sad facial expressions within 250-500ms. SVM quadratic classifier showed greatest accuracy (84%) and sensitivity (92%) for neutral faces, in left occipital regions within 500-750ms. Conclusions: MEG responses may be used in the search for disease specific neural markers.