Concentration of tumor biomarkers using aqueous biphasic systems

Abstract

According to the World Health Organization, around 8.2 million people die each year with cancer. Most patients do not perform routine diagnoses and the symptoms, in most situations, occur when the patient is already at an advanced stage of the disease, consequently resulting in a high cancer mortality. Currently, prostate cancer is the second leading cause of death among males worldwide. In Portugal, this is the most diagnosed type of cancer and the third that causes more deaths. Taking into account that there is no cure for advanced stages of prostate cancer, the main strategy comprises an early diagnosis to increase the successful rate of the treatment. The prostate specific antigen (PSA) is an important biomarker of prostate cancer that can be detected in biological fluids, including blood, urine and semen. However, the commercial kits available are addressed for blood samples and the commonly used analytical methods for their detection and quantification requires specialized staff, specific equipment and extensive sample processing, resulting in an expensive process. Thus, the aim of this MSc thesis consisted on the development of a simple, efficient and less expensive method for the extraction and concentration of PSA from urine samples using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids. Initially, the phase diagrams of a set of aqueous biphasic systems composed of an organic salt and ionic liquids were determined. Then, their ability to extract PSA was ascertained. The obtained results reveal that in the tested systems the prostate specific antigen is completely extracted to the ionic-liquid-rich phase in a single step. Subsequently, the applicability of the investigated ABS for the concentration of PSA was addressed, either from aqueous solutions or urine samples. The low concentration of this biomarker in urine (clinically significant below 150 ng/mL) usually hinders its detection by conventional analytical techniques. The obtained results showed that it is possible to extract and concentrate PSA, up to 250 times in a single-step, so that it can be identified and quantified using less expensive techniques.

De acordo com dados disponibilizados pela Organização Mundial de Saúde, cerca de 8,2 milhões de pessoas morrem anualmente com cancro. A elevada taxa de mortalidade associada ao cancro resulta da maioria dos pacientes não efetuar exames de rotina e porque a manifestação dos sintomas, na maioria dos casos, acontece quando o paciente já se encontra numa fase avançada da doença. Atualmente, o cancro da próstata representa a segunda maior causa de morte entre indivíduos do sexo masculino em todo o mundo. Tendo em conta que não existe cura para casos avançados de cancro da próstata, a estratégia passa por um diagnóstico precoce que permita aumentar a taxa de sucesso dos tratamentos. O antigénio prostático específico (PSA) é um biomarcador importante do cancro da próstata que pode ser detetado em fluidos biológicos, nomeadamente sangue, urina e sémen. No entanto, os kits comerciais disponíveis utilizam amostras de sangue e os métodos analíticos normalmente utilizados na sua deteção e quantificação requerem pessoal especializado, equipamento específico e um processamento extensivo das amostras, resultando em processos com um elevado custo associado. Assim, o objetivo deste mestrado passou por desenvolver um método simples, eficiente e menos dispendioso para a extração e concentração de PSA a partir de amostras de urina utilizando sistemas aquosos bifásicos (SAB) constituídos por líquidos iónicos. Numa fase inicial, determinaram-se os diagramas de fases de um conjunto de sistemas aquosos bifásicos constituídos por um sal orgânico e por líquidos iónicos. Em seguida, avaliou-se a capacidade dos mesmos para a extração do PSA. Os resultados obtidos demonstram que, nos sistemas em estudo, o antigénio prostático específico é totalmente extraído para a fase rica em líquido iónico num único passo. Por fim, averiguou-se a aplicabilidade dos SAB estudados para a concentração do PSA a partir de soluções aquosas e de urina. A baixa concentração deste biomarcador na urina (clinicamente significativo abaixo de 150 ng/mL) dificulta a sua deteção através de técnicas analíticas convencionais. Os resultados obtidos demonstraram que é possível extrair e concentrar PSA até 250 vezes, numa única etapa, sendo este detetável através de técnicas menos dispendiosas.