Alternative techniques for the pretreatment of human fluids and extraction of tumor biomarkers to improve diagnosis

Abstract

Cancer is considered one of the main hurdles against a higher life expectancy. Aiming to improve this negative impact, the quantification of cancer biomarkers in human fluids is a promising strategy for the early detection of cancer, contributing to improve the overall patients’ survival rate. However, the quantification of biomarkers in human fluids is a complex task, and its efficiency depends on sample complexity and biomarker concentration. To ease this task, there is a need for a sample pretreatment step in order to reduce the interference of more abundant biomolecules in the quantification and extraction of the biomarkers of interest. In this work, alternative pretreatment strategies were developed and optimized according to the type of human fluid (human serum and saliva) and cancer biomarkers (proteins and volatile organic compounds). In a first step, three-phase partition systems based on aqueous biphasic systems (ABS-TPP) were developed using several components for the pretreatment of human serum. The efficiency of ABS-TPP in pretreatment was evaluated for its ability to deplete immunoglobulin G and human serum albumin (HSA) - the most abundant proteins in human serum - and to extract three protein biomarkers of lung and prostate cancers (CYFRA 21-1, prostate-specific antigen, PSA, and pentraxin-3, PTX-3). In a second approach, solid phase microextraction (SPME) was used for the selective extraction of volatile organic compounds - VOCs - from saliva. According to the results, the proposed approaches showed potential to improve the extraction and subsequent analysis of biomarkers from human fluids and may contribute to an early diagnosis of cancer.

As doenças oncológicas são consideradas um dos principais obstáculos contra uma maior esperança média de vida. Com o objetivo de melhorar esse impacto negativo, a quantificação de biomarcadores tumorais em fluidos humanos é uma estratégia promissora para a deteção precoce do cancro, contribuindo para melhorar a taxa de sobrevivência dos pacientes oncológicos. No entanto, a quantificação de biomarcadores em fluidos humanos é uma tarefa complexa, e a sua eficiência depende da complexidade da amostra e da concentração dos biomarcadores. Para facilitar esta tarefa, existe a necessidade de aplicar uma etapa de pré-tratamento da amostra, de modo a reduzir a interferência de biomoléculas mais abundantes na quantificação e extrair os biomarcadores de interesse. Neste trabalho, foram desenvolvidas e otimizadas estratégias alternativas de pré-tratamento, de acordo com o tipo de fluido humano (soro humano e saliva) e de biomarcadores tumorais (proteínas e compostos orgânicos voláteis). Numa primeira etapa, foram desenvolvidos com recurso a diversos componentes, sistemas de partição em três fases à base de sistemas aquosos bifásicos (SAB-TPP) para o pré-tratamento de soro humano. A eficiência dos SAB-TPP no pré-tratamento foi avaliada face à sua capacidade para depletar a imunoglobulina G e albumina do soro humano (HSA) – as proteínas mais abundantes no soro humano – e extrair três biomarcadores proteicos de cancro do pulmão e da próstata (o CYFRA 21-1, o antigénio específico da próstata, PSA, e a pentraxina-3, PTX-3). Numa segunda abordagem, recorreu-se à microextração em fase sólida (SPME) para a extração seletiva de compostos orgânicos voláteis – COVs – a partir de saliva. Face aos resultados obtidos, as abordagens propostas mostraram potencial para melhorar a extração e posterior análise de biomarcadores a partir de fluidos humanos, podendo contribuir para um diagnóstico precoce do cancro.