Photonic solution to evaluate protein aggregate levels | Solução fotónica para avaliação dos níveis de agregados de proteínas

In 2020, about 10 million people died from cancer, and its incidence has increased over the years. Of all cancers, breast cancer has the highest incidence rate worldwide, with women being the most affected. In addition to the individual implications, cancer also has social and economic costs. Although there has been research in the area, the high heterogeneity of this disease remains an obstacle to predicting the effectiveness of anti-cancer treatments in each individual. One of the possible indicators of efficacy is the presence of protein aggregates since these are induced by treatments to kill cancer cells. Thus, considering the need to develop new technologies capable of monitoring the effectiveness of anti-cancer treatments, in this work, a smartphone-based system was developed to assess the levels of protein aggregates by measuring fluorescence intensity. Protein aggregates can be stained by fluorophores and the intensity of their fluorescence can be related with the concentration of protein aggregates in the samples. Initially, the system was tested with bovine serum albumin (BSA), a protein capable of resembling the aggregation processes that happen in the clinical context, and later, to test a scenario closer to a real-life application, tests were carried out with cytosolic protein extracts from cancer cells. The obtained results proved to be consistent with results provided by a commercial spectrometer. Mean absolute errors of 0.098 and 0.152 were achieved for BSA tests, and for the cancer cell protein extract tests, respectively, both in relation to the measurements made with the spectrometer. These corresponded to average differences of 9.8% and 15.2% between the measurements of both technologies. With the aim of producing a user-friendly interface that would allow the user to view and analyze the results intuitively, two MATLAB applications were developed: one for use in a research setting and, another, for a clinical environment. Since cancer is a highly heterogeneous disease, the same treatment can have different results for each patient and may prove to be ineffective, requiring adaptation in some cases. Considering this, using the developed device would assist in the evaluation of anti-cancer treatment efficacy based on the detected levels of protein aggregates. Thus, using this indicator could support decision-making on whether to change the applied treatment. This would save time, money and patient survival rates could increase.

Em 2020, cerca de 10 milhões de pessoas morreram devido ao cancro, tendo a sua incidência aumentado ao longo dos anos. De todos os cancros, o da mama é o que tem a maior taxa de incidência mundial, sendo as mulheres as mais afetadas. Para além das implicações individuais, o cancro tem também custos sociais e económicos associados. Embora tenha havido investigação na área, a elevada heterogeneidade desta doença permanece ainda um obstáculo à previsão da eficácia dos tratamentos em cada indivíduo. Um dos possíveis indicadores da eficácia é a presença de agregados de proteínas, pois estes são induzidos pelos tratamentos de forma a matar células cancerígenas. Considerando a necessidade de desenvolver novas tecnologias capazes de monitorizar a eficácia dos tratamentos anti-cancro, neste trabalho, foi desenvolvido um sistema de deteção baseado no uso de um smartphone para avaliar os níveis de agregados de proteínas através da medição da intensidade da fluorescência. Os agregados de proteínas podem ser corados com fluoróforos e a intensidade da sua fluorescência pode relacionar-se com a concentração de agregados proteicos nas amostras. Inicialmente, o sistema foi testado com albumina de soro bovino (BSA), uma proteína capaz de mimicar os processos de agregação que ocorrem em contexto clínico e, mais tarde, testando um cenário mais próximo do real, efetuaram-se testes com extratos proteicos do citosol de células cancerígenas. Os resultados obtidos demonstraram ser consistentes com os dados recolhidos com um espetrómetro comercial. Obteve-se um erro absoluto médio de 0,098 para os testes com a BSA, e um erro absoluto médio de 0,152 para os extratos de proteínas de células cancerígenas, ambos relativamente às medições efetuadas com o espetrómetro, correspondendo, respetivamente, a diferenças médias de 9,8% e 15,2% entre as medições com as duas tecnologias. Com o objetivo de produzir uma interface que permitisse ao utilizador ver e analisar os resultados de forma intuitiva, foram desenvolvidas duas aplicações em MATLAB: uma para utilização em ambiente de investigação e, outra, para ambiente clínico. Como o cancro é uma doença extremamente heterogénea, o mesmo tratamento pode ter resultados diferentes para cada paciente, podendo demonstrar-se pouco eficaz e necessitar de adaptação em alguns casos. Assim, através da utilização do dispositivo desenvolvido, poderá tornar-se possível avaliar a eficácia do tratamento anti-cancro com base nos níveis de agregados de proteínas detetados. Esse indicador poderá apoiar a tomada de decisão de alteração, ou não, do tratamento aplicado. Deste modo, reduzir-se-ia no tempo, dinheiro e as taxas de sobrevivência dos pacientes poderiam aumentar.

Mestrado em Engenharia Biomédica