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

Using data mining techniques to support breast cancer diagnosis

More than ever, there is an increase of the number of decision support methods and computer aided diagnostic systems applied to various areas of medicine. In breast cancer research, many works have been done in order to reduce false-positives when used as a double reading method. In this study, we aimed to present a set of data mining techniques that were applied to approach a decision support system in the area of breast cancer diagnosis. This method is geared to assist clinical practice in identifying mammographic findings such as microcalcifications, masses and even normal tissues, in order to avoid misdiagnosis. In this work a reliable database was used, with 410 images from about 115 patients, containing previous reviews performed by radiologists as microcalcifications, masses and also normal tissue findings. Throughout this work, two feature extraction techniques were used: the gray level co-occurrence matrix and the gray level run length matrix. For classification purposes, we considered various scenarios according to different distinct patterns of injuries and several classifiers in order to distinguish the best performance in each case described. The many classifiers used were Naïve Bayes, Support Vector Machines, k-nearest Neighbors and Decision Trees (J48 and Random Forests). The results in distinguishing mammographic findings revealed great percentages of PPV and very good accuracy values. Furthermore, it also presented other related results of classification of breast density and BI-RADS® scale. The best predictive method found for all tested groups was the Random Forest classifier, and the best performance has been achieved through the distinction of microcalcifications. The conclusions based on the several tested scenarios represent a new perspective in breast cancer diagnosis using data mining techniques.

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.

Anti-neoplastic properties of hydralazine in prostate cancer

Prostate cancer (PCa) is a major cause of cancer-related morbidity and mortality worldwide. Although early disease is often efficiently managed therapeutically, available options for advanced disease are mostly ineffective. Aberrant DNA methylation associated with gene-silencing of cancer-related genes is a common feature of PCa. Therefore, DNA methylation inhibitors might constitute an attractive alternative therapy. Herein, we evaluated the anti-cancer properties of hydralazine, a non-nucleoside DNA methyltransferases (DNMT) inhibitor, in PCa cell lines. In vitro assays showed that hydralazine exposure led to a significant dose and time dependent growth inhibition, increased apoptotic rate and decreased invasiveness. Furthermore, it also induced cell cycle arrest and DNA damage. These phenotypic effects were particularly prominent in DU145 cells. Following hydralazine exposure, decreased levels of DNMT1, DNMT3a and DNMT3b mRNA and DNMT1 protein were depicted. Moreover, a significant decrease in GSTP1, BCL2 and CCND2 promoter methylation levels, with concomitant transcript re-expression, was also observed. Interestingly, hydralazine restored androgen receptor expression, with upregulation of its target p21 in DU145 cell line. Protein array analysis suggested that blockage of EGF receptor signaling pathway is likely to be the main mechanism of hydralazine action in DU145 cells. Our data demonstrate that hydralazine attenuated the malignant phenotype of PCa cells, and might constitute a useful therapeutic tool.

Predictive Biomarkers of Bacillus Calmette-Gu´erin Immunotherapy Response in Bladder Cancer: Where AreWe Now?

The most effective therapeutic option for managing nonmuscle invasive bladder cancer (NMIBC), over the last 30 years, consists of intravesical instillations with the attenuated strain Bacillus Calmette-Gu´erin (the BCG vaccine). This has been performed as an adjuvant therapeutic to transurethral resection of bladder tumour (TURBT) and mostly directed towards patients with highgrade tumours, T1 tumours, and in situ carcinomas. However, from 20% to 40% of the patients do not respond and frequently present tumour progression. Since BCG effectiveness is unpredictable, it is important to find consistent biomarkers that can aid either in the prediction of the outcome and/or side effects development. Accordingly, we conducted a systematic critical review to identify themost preeminent predictive molecular markers associated with BCG response. To the best of our knowledge, this is the first review exclusively focusing on predictive biomarkers for BCG treatment outcome. Using a specific query, 1324 abstracts were gathered, then inclusion/exclusion criteria were applied, and finally 87 manuscripts were included. Several molecules, including CD68 and genetic polymorphisms, have been identified as promising surrogate biomarkers. Combinatory analysis of the candidate predictive markers is a crucial step to create a predictive profile of treatment response.

SMYD3 contributes to a more aggressive phenotype of prostate cancer and targets Cyclin D2 through H4K20me3

Prostate cancer (PCa) is one of the most incident cancers worldwide but clinical and pathological parameters have limited ability to discriminate between clinically significant and indolent PCa. Altered expression of histone methyltransferases and histone methylation patterns are involved in prostate carcinogenesis. SMYD3 transcript levels have prognostic value and discriminate among PCa with different clinical aggressiveness, so we decided to investigate its putative oncogenic role on PCa.We silenced SMYD3 and assess its impact through in vitro (cell viability, cell cycle, apoptosis, migration, invasion assays) and in vivo (tumor formation, angiogenesis). We evaluated SET domain's impact in PCa cells' phenotype. Histone marks deposition on SMYD3 putative target genes was assessed by ChIP analysis.Knockdown of SMYD3 attenuated malignant phenotype of LNCaP and PC3 cell lines. Deletions affecting the SET domain showed phenotypic impact similar to SMYD3 silencing, suggesting that tumorigenic effect is mediated through its histone methyltransferase activity. Moreover, CCND2 was identified as a putative target gene for SMYD3 transcriptional regulation, through trimethylation of H4K20.Our results support a proto-oncogenic role for SMYD3 in prostate carcinogenesis, mainly due to its methyltransferase enzymatic activity. Thus, SMYD3 overexpression is a potential biomarker for clinically aggressive disease and an attractive therapeutic target in PCa.

The involvement of CDH1 in cancer angiogenesis

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia