Application of ionic liquids in the concentration of cancer biomarkers

Abstract

Prostate cancer (CaP) is the third most common cancer-related cause of death in men. Currently, there are no effective therapeutic options for the treatment of advanced prostate cancer and its early detection is pivotal and can increase the curative successful rate. The quantification of prostate specific antigen (PSA) levels in serum remains the most commonly used screening approach. Nevertheless, most of the PSA assays currently applied present several drawbacks, namely a time-consuming sample processing, the identification and characterization of specific antibodies and the need of highly trained technical operators. Therefore, in order to develop an efficient method to extract and concentrate PSA from human fluids and also to overcome the limitations of traditional analytical equipment, in this work, aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids (ILs) were employed as an extraction and concentration liquid-liquid technique. Since the commercially available cancer biomarkers are highly cost products, bovine serum albumin (BSA) was selected as a model protein to infer on the best ABS and their further application on the extraction/concentration of PSA. In this work, two types of ABS were studied: ILs + organic salts and ILs + polymers. First, ABS constituted by a biodegradable organic salt (K3C6H5O7) and a new type of ILs composed of anions with buffer capacity (Good’s buffers) combined with the tetrabutylammonium ([N4444]+) and tetrabutylphosphonium ([P4444]+) cations were studied. ABS formed by polypropylene glycol with a molecular weight of 400 g·mol-1 (PPG4 00) and several cholinium-based ILs, including the Good’s buffers anions, were also evaluated The selected ILs allowed the study of the effect of the anion and cation nature on the phase diagrams behaviour, and thus on their ability to form two-phase systems, as well as the investigation on their potential to extract and concentrate BSA (and thus PSA) from aqueous solutions. According to the obtained results, the complete extraction of BSA was achieved in a single step in various systems. Amongst the several ABS evaluated, those composed of K3C6H5O7 + [N4444][Tricine] and PPG 400 + [Ch][Tricine] were considered the most effective for the extraction (allowing complete extractions). However, ABS composed of polymers did not allow to achieve the concentrations factors initially expected and, therefore, ABS constituted by ILs and K3C6H5O7 are the best alternative and proved to be a promising concentration and extraction technique that may, in the near future, be implemented previously to the clinical analysis of PSA. Finally, in order to support this statement, the ABS formed by K3C6H5O7 and [N4444][Tricine] was used in the extraction of PSA and where it was confirmed the complete extraction of the cancer biomarker for the IL-rich phase.

cancro da próstata representa, nos dias de hoje, a terceira causa de morte mais comum entre os homens, sendo que, atualmente, não existe nenhum tratamento eficaz quando o tumor é diagnosticado já num estado avançado. Face a esta incapacidade, um diagnóstico precoce é essencial no sentido de aumentar a taxa de sucesso do tratamento. A quantificação do biomarcador Antigénio Prostático Específico (PSA) em soro continua a ser o tipo de rastreio mais utilizado uma vez que se trata de um método simples. No entanto, a maioria dos métodos de quantificação de PSA disponíveis no mercado apresentam diversas desvantagens, entre elas, o processamento extensivo da amostra, a necessidade de identificação e caracterização de anticorpos específicos e pessoal técnico altamente especializado. Neste sentido, com o objetivo de desenvolver um método eficiente para a extração e concentração de PSA a partir de fluidos humanos, e que permita ultrapassar os limites de deteção de equipamentos analíticos tradicionais, estudaram-se sistemas aquosos bifásicos (SAB) constituídos por líquidos iónicos (LIs) como uma técnica de extração e concentração do tipo líquido-líquido. Uma vez que os biomarcadores associados a tumores comercialmente disponíveis são produtos de elevado custo, foi selecionada uma proteína modelo (albumina do soro bovino, BSA) para o estudo de otimização de SAB e posterior aplicação na extração/concentração de PSA. Neste trabalho, foram estudados dois tipos de SAB: LIs + sais orgânicos e LIs + polímeros. Primeiramente foram avaliados SAB constituídos por um sal orgânico e biodegradável (K3C6H5O7) e uma nova classe de LIs com aniões com capacidade tampão (Good’s buffers) combinados com os catiões tetrabutilamónio ([N4444+]) e tetrabutilfosfónio ([P4444]+). De seguida, foram avaliados SAB formados pelo polímero polipropileno glicol com massa molecular de 400 g∙mol-1 (PPG 400) e líquidos iónicos constituídos pelo catião colínio ([Ch]+) e uma vasta panóplia de aniões, incluindo os Good’s buffers. Os LIs selecionados permitiram estudar o efeito do anião e do catião sobre os diagramas de fase, ou seja a sua capacidade para formar um sistema de duas fases aquosas, assim como avaliar a sua potencialidade para extração e concentração de BSA (e posteriormente PSA) a partir de soluções aquosas. De acordo com os resultados obtidos foi possível, num único passo, alcançar a extração completa da BSA. Entre os vários SAB avaliados, os constituídos por K3C6H5O7 + [N4444][Tricina] e PPG 400 + [Ch][Tricina] foram considerados os sistemas mais eficazes para a etapa de extração (atingindo extrações completas). No entanto, os SAB compostos por polímeros não permitem atingir os níveis de concentração esperados, pelo que os sistemas constituídos por LIs e K3C6H5O7 são os SAB de eleição e provaram ser uma técnica promissora de extração e concentração que poderá no futuro ser implementada previamente às análises clínicas de PSA. Por fim, com o intuito de suportar esta afirmação, utilizou-se um SAB constituído por K3C6H5O7 e [N4444][Tricine] para extrair PSA onde foi possível confirmar a extração completa para a fase rica em LI.