Identification and classification of prostate tumour tissues by FTIR

Abstract

The development of prostate cancer (PCa) is not yet fully understood, but it is already recognized that it develops through pre malignant stages. Thus, the most important factor in the prevention of cancer is early detection, facilitating eradication of these pre-malignant cells prior to systemic invasion. There is a great clinical need for techniques that can detect these pre-malignant biochemical changes that can advance to cancer. The infrared (IR) spectroscopy is a powerful analytical tool to provide detailed information on the chemical composition of complex biological samples, such as tissues. This technique is based on the vibrations between the atoms of a molecule. The molecules absorb infrared light and give rise to distinctive spectral patterns in transmitted light. This is a non-destructive, highly sensitive and specific analytical technique that allows the identification of signals associated with prostate cancer at a biochemical level, providing an improved diagnosis of cancer and also facilitating the identification of tumors with aggressive biopotential. This dissertation is an exploratory study that intends to test the ability of the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) to discriminate between control and PCa samples and to identify spectroscopic signals related to functional groups of biochemical compounds present in the malignant tissues. Prostate biopsy samples were collected from radical prostatectomy pieces of 8 patients characterized with elevated prostate specific antigen (PSA) and/or abnormal digital rectal examination (DRE). Also relevant histopathological information about the patients has been provided, including the Gleason grade and the TNM staging. PCa and control samples were analysed by FTIR and the resulting spectra were submitted to Principal Component Analysis (PCA) in the ranges 3000-2800 cm-1, 1200-900 cm-1 and 1800-1700 cm-1. The diagram of the factorial coordinates (scores) discriminated the spectra of PCa samples from the spectra of controls samples. The diagram of the factorial contributions (loadings) allowed the identification of spectroscopic signals associated with biochemical pathologic modifications expected in malignant tissues, mainly dysregulations in lipid metabolism, based on higher content in fatty acids and increased disorder of the chains of membrane lipids; also a lower polysaccharide (glucose) and glycogen content and an increase in the nucleic acids. In the future, further investigations would make possible the development of a universal FTIR multivariate classification model for prostate cancer.

O desenvolvimento do cancro da próstata (CaP) ainda não é inteiramente compreendido, mas já se reconhece que este se desenvolve a partir de estágios pré-malignos. Assim, o fator mais importante na prevenção do cancro é a deteção precoce, que facilita a erradicação destas células pré-malignas antes de uma invasão sistémica. Há uma grande necessidade clínica de técnicas que possam detetar essas alterações bioquímicas pré-malignas que podem avançar para cancro. A espectroscopia de infravermelho é uma poderosa ferramenta analítica para fornecer informações detalhadas sobre a composição química de amostras biológicas complexas, como tecidos. Esta técnica baseia-se nas vibrações entre os átomos de uma molécula. As moléculas absorvem luz infravermelha e dão origem a padrões espectrais distintos de luz transmitida. Esta é uma técnica analítica não-destrutiva, altamente sensível e específica que permite a identificação de sinais associados ao cancro da próstata ao nível bioquímico, proporcionando um melhor diagnóstico e facilitando a identificação de tumores com biopotencial agressivo. Esta dissertação é um estudo exploratório que pretende testar a capacidade da espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) em discriminar amostras de CaP de amostras controlo e identificar sinais espectroscópicos relacionados com grupos funcionais de compostos bioquímicos presentes nos tecidos malignos. Amostras de biópsias prostáticas foram recolhidas de peças de prostatectomia radical de 8 pacientes caracterizados com antigénio específico da próstata (PSA) elevado e/ou exame de toque rectal (TR) anormal. Também foram fornecidas outras informações histopatológicas relevantes sobre os pacientes, como o score de Gleason e a classificação TNM. Amostras de CaP e controlo foram analisadas por FTIR e os espectros resultantes foram submetidos a análise em componentes principais (ACP) nas regiões 3000-2800 cm-1, 1200-900 cm-1 e 1800-1700 cm-1. O diagrama das coordenadas fatoriais (scores) discriminou os espectros das amostras de CaP dos espectros das amostras controlo. O diagrama das contribuições fatoriais (loadings) permitiu a identificação de sinais espectroscópicos associados a modificações bioquímicas patológicas esperadas em tecidos malignos, nomeadamente desregulações no metabolismo lipídico, com base num elevado conteúdo em ácidos gordos e em alterações nas cadeias lipídicas da membrana; também se verificou um menor conteúdo em polissacarídeos (glicose) e em glicogénio e num aumento nos ácidos nucleicos. No futuro, novas investigações irão possibilitar o desenvolvimento de um modelo universal de classificação multivariada por FTIR para o cancro da próstata.