Resumen de Application of Nanotechnology for the Discovery of Circulating Proteins as Novel Biomarkers of Breast Cancer
- español
El cáncer de mama es uno de los tipos de cáncer más común en mujeres y supone aproximadamente el 14% de las muertes relacionadas con el cáncer en mujeres de todo el mundo. Se trata de una enfermedad heterogénea con una amplia variedad de características moleculares y clínicas, así como una variabilidad en la progresión clínica. Para la elección del tratamiento adecuado, las pacientes con cáncer de mama se clasifican en distintos subtipos empleando criterios clínico-patológicos que se basan en los niveles de expresión del oncogén del receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano (HER2), la clasificación inmunohistoquímica del receptor de estrógeno (RE) y el receptor de progesterona (RP), y el índice Ki-67. La clasificación del cáncer de mama en los distintos subtipos permite un abordaje más personalizado de los tratamientos médicos, con resultados favorables. Sin embargo, a pesar de esto, casi el 10-15% de estos pacientes todavía experimentan recidivas locales o distantes en los primeros 5 años tras el diagnóstico. Actualmente, el uso de nuevas herramientas “ómicas” permite la identificación de nuevos biomarcadores que respalden el diagnóstico basado en patrones histopatológicos, lo que se traducirá en una mejora en la clasificación del cáncer de mama. Con esta finalidad se han comenzado a introducer los nanomateriales en el campo de la proteómica, dando lugar a una nueva área de investigación denominada nanoproteómica. La nanoproteómica se basa en que la dispersión de un nanomaterial en un fluido fisiológico da como resultado la formación de una capa de proteinas denominada "corona". Esta corona proteica varía según las características del medio biológico, las propiedades físicas (tamaño, forma, curvatura) y químicas (composición, carga superficial/química, hidrofobicidad/hidrofilicidad) del nanomaterial y el tiempo de incubación. Los biomarcadores asociados a un determinada enfermedad suponen menos del 1% de las proteínas presentes en el suero sanguíneo. Con la formación de la corona de proteínas, los nanomateriales actuan como materiales absorbentes con los que se lleva a cabo el enriquecimiento de péptidos/proteínas de baja abundancia presentes en las muestras de suero sanguíneo. El análisis de estas proteínas ancladas a la superficie de los nanomateriales mediante técnicas de espectrometría de masas permitirá la identificación de nuevos biomarcadores asociados con una determinada enfermedad, como el cancer de mama. Así, mediante este tipo de análisis se podrán detectar cambios en la concentración de proteínas en una fase temprana de una enfermedad, tras cualquier tratamiento (quimioterapia, inmunoterapia) o una intervención quirúrgica. Por lo tanto, la caracterización de la corona de proteínas que se forma alrededor de los nanomateriales ofrece distintas ventajas en relación con los análisis proteómicos convencionales, y es más eficaz a la hora de llevar a cabo la identificación de nuevas dianas moleculares. En primer lugar, esta tesis tiene como objetivo optimizar la formación de la bio-corona formada alrededor de la superficie de nanopartículas de oro (AuNPs), nanopartículas de plata (AgNPs), nanopartículas de platino (PtNPs) y nanopartículas magnéticas (MNPs) tras su interacción con las proteínas presente en suero sanguíneo humano. Posteriormente, se lleva a cabo un análisis cualitativo y cuantitativo exhaustivo de la composición del corona proteica formada mediante la combinación de las técnicas de separación en gel (SDS-PAGE) en combinación con la espectrometría de masas en tándem (MS/MS) acoplada a la cromatografía de líquidos (LC-MS/MS). Tras la optimización de esta metodología, se aplica en la identificación y cuantificación de biomarcadores de los diferentes subtipos de cáncer de mama presentes en muestras de suero sanguíneo. Este estudio muestra que la nanoproteómica es una herramienta valiosa que puede facilitar la identificación integral y sistemática del proteoma sérico y la clasificación molecular del cáncer de mama.
- English
Breast cancer is one of the most common cancers in women and accounts for about 14% of cancer-related deaths in females around the world. Breast cancer is a heterogeneous disease that presents a wide variety of molecular and clinical characteristics, as well as variability in clinical progression. For the treatment choice, patients are classified according to intrinsic biological subtypes within the breast spectrum, using clinical-pathological criteria, i.e. the recognition of amplification and/or overexpression of the human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) oncogene, the immunohistochemical classification of the estrogen receptor (ER) and the progesterone receptor (PR), and Ki-67 labelling index. This classification allows for a more personalized approach to medical treatments, with favorable results. However, despite that, almost 10-15% of these patients still experience local or distant recurrences in the first 5 years from diagnosis. Classification of breast cancer might be markedly improved if new biomarkers identified with the use of high-throughput “omics” approaches could support diagnosis based on histopathological patterns. In this way, nanomaterials have been introduced into the field of proteomics to establish a new and rapidly evolving research area termed nanoproteomics. It is well known that the dispersion of a nanomaterial in physiological fluid results in the formation of a protein shell named “protein corona” (PC). PC varies depending on the characteristics of the biological media, the physical (size, shape, curvature) and chemical properties (composition, surface charge/chemistry, hydrophobicity/hydrophilicity) of the nanomaterial, and the incubation time. Disease-associated biomarkers comprise less than 1% of serum proteins. In this way, through the formation of the PC, nanoparticles could act as sorbent materials for the enrichment of low-abundance peptides/proteins presented in serum samples before the biomarker identification by mass spectrometry (MS) analysis. Importantly, otherwise undetectable changes in protein concentration at an early stage of the disease (as breast cancer), after any treatment (chemotherapy, immunotherapy) or surgery could be detected analyzing the PC composition. Thus, characterization of the PC around NPs offers distinct advantages over sole proteomic approaches and increases the success of identifying molecular targets. Firstly, this thesis aims to optimize the formation of the bio-corona formed around the surface of gold nanoparticles (AuNPs), silver nanoparticles (AgNPs), platinum nanoparticles (PtNPs) and magnetic nanoparticles (MNPs) after their interaction with proteins present in human serum. After that, it was developed an exhaustive qualitative and quantitative analysis of composition of the PC through electrophoretic separation (SDS-PAGE) in combination with liquid chromatography tandem-mass spectrometry (LC-MS/MS). This methodology was applied for the identification of serum biomarkers of the different breast cancer subtypes. This study shows that nanoproteomics is a valuable tool that can facilitate comprehensive and systematic identification of the serum proteome and the molecular classification of breast cancer.
- galego
O cancro de mama é un dos cancros máis comúns nas mulleres, xa que representa aproximadamente o 14% das mortes relacionadas co cancro en mulleres de todo o mundo. É unha enfermidade heteroxénea cunha gran variedade de características moleculares e clínicas, así como variabilidade na progresión clínica. Para escoller o tratamento axeitado, as pacientes con cancro de mama clasifícanse en diferentes subtipos empregando criterios clínicopatolóxicos baseados nos niveis de expresión do oncóxeno receptor de factor de crecemento epidérmico humano 2 (HER2), a clasificación inmunohistoquímica do receptor de estróxenos (RE) e o receptor de proxesterona (RP), e o índice Ki-67. A clasificación do cancro de mama nos diferentes subtipos permite unha abordaxe máis personalizada dos tratamentos médicos con resultados favorables. Non obstante, a pesar diso, case o 10-15% destas pacientes aínda experimentan recorrencias locais ou distantes nos primeiros 5 anos despois do diagnóstico. Actualmente, o uso de novas ferramentas "ómicas" permite a identificación de novos biomarcadores que apoien o diagnóstico baseado en patróns histopatolóxicos, o que se traducirá nunha mellora na clasificación do cancro de mama. Para iso, comezaron a introducirse nanomateriais no campo da proteómica, dando lugar a unha nova área de investigación chamada nanoproteómica. A nanoproteómica baséase no feito de que a dispersión dun nanomaterial nun fluído fisiolóxico resulta na formación dunha capa de proteínas chamada "coroa". Esta coroa proteica varía segundo as características do medio biolóxico, as propiedades físicas (tamaño, forma, curvatura) e químicas (composición, carga superficial/química, hidrofobicidade / hidrofilicidade) do nanomaterial e o tempo de incubación. Os biomarcadores asociados a unha determinada enfermidade representan menos do 1% das proteínas presentes no soro sanguíneo. Coa formación da coroa proteica, os nanomateriais actúan como materiais absorbentes cos que enriquecen os péptidos/proteínas de baixa abundancia presentes nas mostras de soro sanguíneo. A análise destas proteínas ancoradas á superficie de nanomateriais mediante técnicas de espectrometría de masas permitirá a identificación de novos biomarcadores asociados a unha determinada enfermidade, como o cancro de mama. Así, a través deste tipo de análise, pódense detectar cambios na concentración de proteínas nunha fase inicial dunha enfermidade, despois de calquera tratamento (quimioterapia, inmunoterapia) ou intervención cirúrxica. Polo tanto, a caracterización da coroa proteica que se forma ao redor dos nanomateriais ofrece distintas vantaxes sobre as análises proteómicas convencionais e é máis eficiente na identificación de novas dianas moleculares. En primeiro lugar, esta tese ten como obxectivo optimizar a formación da bio-coroa formada ao redor da superficie de nanopartículas de ouro (AuNPs), nanopartículas de prata (AgNPs), nanopartículas de platino (PtNPs) e nanopartículas magnéticas (MNPs) despois da súa interacción coas proteínas presente no soro sanguíneo humano. Posteriormente, lévase a cabo unha análise cualitativa e cuantitativa completa da composición da coroa proteica formada combinando técnicas de separación de xel (SDS-PAGE) en combinación con espectrometría de masas en tándem (MS/MS) unida a cromatografía líquida (LC-MS / MS). Despois de optimizar esta metodoloxía, aplícase na identificación e cuantificación de biomarcadores dos diferentes subtipos de cancro de mama presentes en mostras de soro sanguíneo. Este estudo demostra que a nanoproteómica é unha valiosa ferramenta que pode facilitar a identificación completa e sistemática do proteoma sérico e a clasificación molecular do cancro de mama.
