Protein and peptides in pictures:imaging with MALDI mass spectrometry

Imaging using MS has the potential to deliver highly parallel, multiplexed data on the specific localization of molecular ions in tissue samples directly, and to measure and map the variations of these ions during development and disease progression or treatment. There is an intrinsic potential to be able to identify the biomarkers in the same experiment, or by relatively simple extension of the technique. Unlike many other imaging techniques, no a priori knowledge of the markers being sought is necessary. This review concentrates on the use of MALDI-MS for MS imaging (MSI) of proteins and peptides, with an emphasis on mammalian tissue. We discuss the methodologies used, their potential limitations, overall experimental considerations and progress that has been made towards establishing MALDI-MSI as a routine technique for the spatially resolved measurement of peptides and proteins. As well as determining the local abundance of individual molecular ions, there is the potential to determine their identity within the same experiment using relatively simple extensions of the basic techniques. In this way MSI offers an important opportunity for biomarker discovery and identification.

Time-dependent evolution of tissue markers by MALDI-MS imaging

We have used MALDI-MS imaging (MALDI-MSI) to monitor the time dependent appearance and loss of signals when tissue slices are brought rapidly to room temperature for short to medium periods of time. Sections from mouse brain were cut in a cryostat microtome, placed on a MALDI target and allowed to warm to room temperature for 30 s to 3 h. Sections were then refrozen, fixed by ethanol treatment and analysed by MALDI-MSI. The intensity of a range of markers were seen to vary across the time course, both increasing and decreasing, with the intensity of some markers changing significantly within 30 s and markers also showed tissue location specific evolution. The markers resulting from this autolysis were compared directly to those that evolved in a comparable 16 h on-tissue trypsin digest, and the markers that evolved in the two studies were seen to be substantially different. These changes offer an important additional level of location-dependent information for mapping changes and seeking disease-dependent biomarkers in the tissue. They also indicate that considerable care is required to allow comparison of biomarkers between MALDI-MSI experiments and also has implications for the standard practice of thaw-mounting multiple tissue sections onto MALDI-MS targets.

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.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Clinical utility of amyloid PET imaging in the differential diagnosis of atypical dementias and its impact on caregivers

La maladie d’Alzheimer (MA) se caractérise pathologiquement par l’accumulation de plaques amyloïde dans le cerveau. La tomographie par émission de positrons (TEP) permet d’imager les plaques amyloïde in vivo. Le but de ce projet est d’évaluer le rôle de la TEP amyloïde dans le processus diagnostique de la MA dans des cas de démences atypiques. Le deuxième but de ce projet est de déterminer l’impact de la révélation d’un diagnostic plus certain chez les proches aidants. 28 patients sans diagnostic malgré une investigation exhaustive ont été sélectionnées et imagées avec le traceur amyloïde 18F-NAV4694 (âge 59,3 ans, é-t. 5,8; MMSE 21.4, é-t 6.0). Les neurologues référents documentaient par la suite tout changement de niveau de certitude, de diagnostic, de traitement et/ou de prise en charge. Les proches aidants consentants ont été rencontrés subséquemment, et un questionnaire avec une échelle de Likert a été utilisé afin de documenter l’impact de l’imagerie leur perception de la maladie. Notre cohorte a été également divisée entre amyloïde positifs (14/28) et négatifs (14/28). Un changement de diagnostic a lieu dans 9/28 cas (32,1% :17.8% ont changé de MA à non-MA, 14,3% de non-MA à MA). Il y avait une augmentation significative (p<0,05) de 44% dans la certitude du neurologue suite à cet examen. Un changement de prise en charge a été obtenu dans 20/28 (71,4%) des cas. Bien que non significatifs statistiquement, un impact favorable sur les proches-aidants a été noté. Cette étude suggère que l’imagerie amyloïde a un rôle bénéfique dans les cas de démences atypiques n’ayant pu être élucidés avec les techniques d’investigations actuellement recommandées. De plus, le processus a été perçu positivement par les proches aidants, notamment en encourageant du temps de qualité avec leurs personnes chères. Ceci illustre un rôle prometteur des biomarqueurs, qui sont de plus en plus explorés.

Optimization of immunofluorescence protocols for detection of biomarkers in colorectal and breast cancer tissues

Cancer remains an undetermined question for modern medicine. Every year millions of people ranging from children to adult die since the modern treatment is unable to meet the challenge. Research must continue in the area of new biomarkers for tumors. Molecular biology has evolved during last years; however, this knowledge has not been applied into the medicine. Biological findings should be used to improve diagnostics and treatment modalities. In this thesis, human formalin-fixed paraffin embedded colorectal and breast cancer samples were used to optimize the double immunofluorescence staining protocol. Also, immunohistochemistry was performed in order to visualize expression patterns of each biomarker. Concerning double immunofluorescence, feasibility of primary antibodies raised in different and same host species was also tested. Finally, established methods for simultaneous multicolor immunofluorescence imaging of formalin-fixed paraffin embedded specimens were applied for the detection of pairs of potential biomarkers of colorectal cancer (EGFR, pmTOR, pAKT, Vimentin, Cytokeratin Pan, Ezrin, E-cadherin) and breast cancer (Securin, PTTG1IP, Cleaved caspase 3, ki67).

Tenecteplase and alteplase in acute ischaemic stroke thrombolysis: clinical and imaging study

Introduction: Intravenous thrombolysis in acute ischaemic stroke with alteplase improves clinical outcomes, but it has limited efficacy and is associated with increased risk of intracranial haemorrhage. An improved tissue plasminogen activator, tenecteplase, was evidenced to be at least equally effective with lower risk of haemorrhage in acute myocardial infarction thrombolysis. To date, two completed phase II randomised controlled studies comparing tenecteplase and alteplase in acute ischaemic strokes showed variable results. Methods: A literature review of thrombolytic agents used in myocardial infarction and acute ischaemic stroke was performed, followed by a retrospective investigation of the bolus-to- infusion delay of alteplase administration. The main focus of this thesis is the report of our single centre phase II randomised controlled trial that compared tenecteplase (0.25mg/kg, maximum 25mg) and alteplase (0.9mg/kg, maximum 90mg, 10% as the initial bolus, following by one hour infusion with the rest of the dose) in acute ischaemic stroke thrombolysis using advanced imaging as biomarkers. Imaging comprised baseline computed tomography (CT), CT perfusion (CTP) and CT angiography (CTA), and CT+CTA at 24-48 hours. The primary end-point was penumbral salvage (CTP-defined penumbra volume minus follow-up CT infarct volume). A sub-study of coagulation and fibrinolysis analysis of the two agents was performed by comparing a group of coagulation variables measured pre-treatment, 3-12 hours, and 24±3 hours post thrombolysis. An individual patient data (IPD) meta-analysis was carried out using all three completed tenecteplase/alteplase comparison studies in stroke thrombolysis. We compared clinical outcomes including modified Rankin scale at 3 months, early neurological improvement at 24 hours, intracerebral haemorrhage rate and mortality at 3 months between all three tenecteplase doses (0.1mg/kg, 0.25 mg/kg, and 0.4mg/kg) examined and standard alteplase. Imaging outcomes including penumbra salvage, recanalisation rates were also compared using the data from the two studies that had advance imaging carried out. Results: Delay between the initial bolus and the subsequent infusion in administration of alteplase is common. This may reduce the likelihood of achieving a good functional outcome. Among the 104 patients recruited in ATTEST trial, 71 contributed to the imaging primary outcome. No significant differences were observed for penumbral salvage [68 (SD 28) % tenecteplase vs 68 (SD 23) % alteplase], mean difference 1% (95% confidence interval -10%, 12%, p=0·81) or for any secondary end-point. The SICH incidence (1/52, 2% vs 2/51, 4%, by SITS-MOST definition, p=0·55; by ECASS-2 definition, 3/52, 6% tenecteplase vs 4/51, 8% alteplase, p=0.59) did not differed significantly. There was a trend towards lower ICH risk in the tenecteplase group (8/52 tenecteplase, 15% vs 14/51 alteplase, 29%, p=0·091). Compared to baseline, alteplase caused significant hypofibrinogenaemia (p=0.002), prolonged Prothrombin Time (PT) (p=0.011), hypoplasminogenaemia (p=0.001) and lower Factor V (p=0.002) at 3-12 hours after administration with persistent hypofibrinogenaemia at 24h (p=0.011), while only minor hypoplasminogenaemia (P=0.029) was seen in the tenecteplase group. Tenecteplase consumed less plasminogen (p<0.001) and fibrinogen (p=0.002) compared with alteplase. In a pooled analysis, tenecteplase 0.25mg/kg had the greatest odds to achieve early neurological improvement (OR [95%CI] 3.3 [1.5, 7.2], p=0.093), excellent functional outcome (mRS 0-1) at three months (OR [95%CI] 1.9 [0.8, 4.4], p= 0.28), with reduced odds of ICH (OR [95%CI] 0.6 [0.2, 1.8], P=0.43) compared with alteplase. Only 19 patients were treated with tenecteplase 0.4mg/kg, which showed increased odds of SICH compared with alteplase (OR [95% CI] 6.2 [0.7, 56.3]). In the two studies where advanced imaging was performed, the imaging outcomes did not differ in the IPD analysis. Conclusion: Tenecteplase 0.25 mg/kg has the potential to be a better alternative to alteplase. It can be given as a single bolus, does not cause disruption to systemic coagulation, and is possibly safer and more effective in clot lysis. Further phase III study to compare tenecteplase and alteplase in acute ischaemic stroke is warranted.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Longitudinal Micro CT-driven biomarkers as a tool to evaluate lung fibrosis progression and antifibrotic efficacy in a refined Bleomycin mouse model

Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a chronic progressive disease with no curative pharmacological treatment. Animal models play an essential role in revealing molecular mechanisms involved in the pathogenesis of the disease. Bleomycin (BLM)-induced lung fibrosis is the most widely used and characterized model for anti-fibrotic drugs screening. However, several issues have been reported, such as the identification of an optimal BLM dose and administration scheme as well as gender-specificity. Moreover, the balance between disease resolution, an appropriate time window for therapeutic intervention and animal welfare remains critical aspects yet to be fully elucidated. In this thesis, Micro CT imaging has been used as a tool to identify the ideal BLM dose regimen to induce sustained lung fibrosis in mice as well as to assess the anti-fibrotic effect of Nintedanib (NINT) treatment upon this BLM administration regimen. In order to select the optimal BLM dose scheme, C57bl/6 male mice were treated with BLM via oropharyngeal aspiration (OA), following either double or triple BLM administration. The triple BLM administration resulted in the most promising scheme, able to balance disease resolution, appropriate time-window for therapeutic intervention and animal welfare. The fibrosis progression was longitudinally assessed by micro-CT every 7 days for 5 weeks after BLM administration and 5 animals were sacrificed at each timepoint for the BALF and histological evaluation. The antifibrotic effect of NINT was assessed following different treatment regimens in this model. Herein, we have developed an optimized mouse model of pulmonary fibrosis, enabling three weeks of the therapeutic window to screen putative anti-fibrotic drugs. micro-CT scanning, allowed us to monitor the progression of lung fibrosis and the therapeutical response longitudinally in the same subject, drastically reducing the number of animals involved in the experiment.

Combining molecular alterations and functional imaging in metastatic castration resistant prostate cancer treated with taxanes

The treatment of metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC) is currently characterized by several drugs with different mechanisms of action, such as new generation hormonal agents (abiraterone, enzalutamide), chemotherapy (docetaxel, cabazitaxel), PARP inhibitors (olaparib) and radiometabolic therapies (radium-223, LuPSMA). There is an urgent need to identify biomarkers to guide personalized therapy in mCRPC. In recent years, the status of androgen receptor (AR) gene detected in liquid biopsy has been associated with outcomes in patients treated with abiraterone or enzalutamide. More recently, plasma tumor DNA (ptDNA) and its changes during treatment have been identified as early indicators of response to anticancer treatments. Recent works also suggested a potential role of tumor-related metabolic parameters of 18Fluoro-Choline Positron Emission Tomography (F18CH-PET)-computed tomography (CT) as a prognostic tool in mCRCP. Other clinical features, such as the presence of visceral metastases, have been correlated with outcome in mCRPC patients. Recent studies conducted by our research group have designed and validated a prognostic model based on the combination of molecular characteristics (ptDNA levels), metabolic features found in basal FCH PET scans (metabolic tumor volume values, MTV), clinical parameters (absence or presence of visceral metastases), and laboratory tests (serum lactate dehydrogenase levels, LDH). Within this PhD project, 30 patients affected by mCRPC, pre-treated with abiraterone or enzalutamide, candidate for taxane-based treatments (docetaxel or cabazitaxel), have been prospectively evaluated. The prognostic model previously described was applied to this population, to interrogate its prognostic power in a more advanced cohort of patients, resulting in a further external validation of the tool.

Progetto e implementazione di software di segmentazione assistita di immagini mediche e predizione di biomarkers

La segmentazione prevede la partizione di un'immagine in aree strutturalmente o semanticamente coerenti. Nell'imaging medico, è utilizzata per identificare, contornandole, Regioni di Interesse (ROI) clinico, quali lesioni tumorali, oggetto di approfondimento tramite analisi semiautomatiche e automatiche, o bersaglio di trattamenti localizzati. La segmentazione di lesioni tumorali, assistita o automatica, consiste nell’individuazione di pixel o voxel, in immagini o volumi, appartenenti al tumore. La tecnica assistita prevede che il medico disegni la ROI, mentre quella automatica è svolta da software addestrati, tra cui i sistemi Computer Aided Detection (CAD). Mediante tecniche di visione artificiale, dalle ROI si estraggono caratteristiche numeriche, feature, con valore diagnostico, predittivo, o prognostico. L’obiettivo di questa Tesi è progettare e sviluppare un software di segmentazione assistita che permetta al medico di disegnare in modo semplice ed efficace una o più ROI in maniera organizzata e strutturata per futura elaborazione ed analisi, nonché visualizzazione. Partendo da Aliza, applicativo open-source, visualizzatore di esami radiologici in formato DICOM, è stata estesa l’interfaccia grafica per gestire disegno, organizzazione e memorizzazione automatica delle ROI. Inoltre, è stata implementata una procedura automatica di elaborazione ed analisi di ROI disegnate su lesioni tumorali prostatiche, per predire, di ognuna, la probabilità di cancro clinicamente non-significativo e significativo (con prognosi peggiore). Per tale scopo, è stato addestrato un classificatore lineare basato su Support Vector Machine, su una popolazione di 89 pazienti con 117 lesioni (56 clinicamente significative), ottenendo, in test, accuratezza = 77%, sensibilità = 86% e specificità = 69%. Il sistema sviluppato assiste il radiologo, fornendo una seconda opinione, non vincolante, adiuvante nella definizione del quadro clinico e della prognosi, nonché delle scelte terapeutiche.

Study Of The Homogeneity Of Drug Loaded In Polymeric Films Using Near-infrared Chemical Imaging And Split-plot Design.

Split-plot design (SPD) and near-infrared chemical imaging were used to study the homogeneity of the drug paracetamol loaded in films and prepared from mixtures of the biocompatible polymers hydroxypropyl methylcellulose, polyvinylpyrrolidone, and polyethyleneglycol. The study was split into two parts: a partial least-squares (PLS) model was developed for a pixel-to-pixel quantification of the drug loaded into films. Afterwards, a SPD was developed to study the influence of the polymeric composition of films and the two process conditions related to their preparation (percentage of the drug in the formulations and curing temperature) on the homogeneity of the drug dispersed in the polymeric matrix. Chemical images of each formulation of the SPD were obtained by pixel-to-pixel predictions of the drug using the PLS model of the first part, and macropixel analyses were performed for each image to obtain the y-responses (homogeneity parameter). The design was modeled using PLS regression, allowing only the most relevant factors to remain in the final model. The interpretation of the SPD was enhanced by utilizing the orthogonal PLS algorithm, where the y-orthogonal variations in the design were separated from the y-correlated variation.

Feasibility And Reproducibility Of Diffusion-weighted Magnetic Resonance Imaging Of The Fetal Brain In Twin-twin Transfusion Syndrome.

The aim of this study is to test the feasibility and reproducibility of diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) evaluations of the fetal brains in cases of twin-twin transfusion syndrome (TTTS). From May 2011 to June 2012, 24 patients with severe TTTS underwent MRI scans for evaluation of the fetal brains. Datasets were analyzed offline on axial DW images and apparent diffusion coefficient (ADC) maps by two radiologists. The subjective evaluation was described as the absence or presence of water diffusion restriction. The objective evaluation was performed by the placement of 20-mm(2) circular regions of interest on the DW image and ADC maps. Subjective interobserver agreement was assessed by the kappa correlation coefficient. Objective intraobserver and interobserver agreements were assessed by proportionate Bland-Altman tests. Seventy-four DW-MRI scans were performed. Sixty of them (81.1%) were considered to be of good quality. Agreement between the radiologists was 100% for the absence or presence of diffusion restriction of water. For both intraobserver and interobserver agreement of ADC measurements, proportionate Bland-Altman tests showed average percentage differences of less than 1.5% and 95% CI of less than 18% for all sites evaluated. Our data demonstrate that DW-MRI evaluation of the fetal brain in TTTS is feasible and reproducible.

The Effect Of Soy Dietary Supplement And Low Dose Of Hormone Therapy On Main Cardiovascular Health Biomarkers: A Randomized Controlled Trial.

To assess the effects of a soy dietary supplement on the main biomarkers of cardiovascular health in postmenopausal women compared with the effects of low-dose hormone therapy (HT) and placebo. Double-blind, randomized and controlled intention-to-treat trial. Sixty healthy postmenopausal women, aged 40-60 years, 4.1 years mean time since menopause were recruited and randomly assigned to 3 groups: a soy dietary supplement group (isoflavone 90mg), a low-dose HT group (estradiol 1 mg plus noretisterone 0.5 mg) and a placebo group. Lipid profile, glucose level, body mass index, blood pressure and abdominal/hip ratio were evaluated in all the participants at baseline and after 16 weeks. Statistical analyses were performed using the χ2 test, Fisher's exact test, Kruskal-Wallis non-parametric test, analysis of variance (ANOVA), paired Student's t-test and Wilcoxon test. After a 16-week intervention period, total cholesterol decreased 11.3% and LDL-cholesterol decreased 18.6% in the HT group, but both did not change in the soy dietary supplement and placebo groups. Values for triglycerides, HDL-cholesterol, glucose level, body mass index, blood pressure and abdominal/hip ratio did not change over time in any of the three groups. The use of dietary soy supplement did not show any significant favorable effect on cardiovascular health biomarkers compared with HT. The trial is registered at the Brazilian Clinical Trials Registry (Registro Brasileiro de Ensaios Clínicos - ReBEC), number RBR-76mm75.