Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2018-02-21T21:24:26Z No. of bitstreams: 1 AlineDeSousaMarques_TESE.pdf: 5792072 bytes, checksum: 2628df662db724e0c0d729e9a2af99c5 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2018-02-22T21:38:32Z (GMT) No. of bitstreams: 1 AlineDeSousaMarques_TESE.pdf: 5792072 bytes, checksum: 2628df662db724e0c0d729e9a2af99c5 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-22T21:38:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlineDeSousaMarques_TESE.pdf: 5792072 bytes, checksum: 2628df662db724e0c0d729e9a2af99c5 (MD5) Previous issue date: 2017-08-18 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior (CAPES) / Esta tese de doutorado ? um aporte te?rico-pr?tica para o desenvolvimento de estudos que utilizem a bioanal?tica, particulamente materiais biol?gicos provenientes de bact?rias, podendo estes ser isolados, DNA, entre outros, em conjunto com ferramentas quimiom?ticas de an?lise. Para isso, buscou-se identificar diferen?as bacterianas quando submetidas a uma fonte de estresse a partir de diferentes t?cnicas anal?ticas. A primeira abordagem foi realizada partindo da bioespectroscopia, utilizando-se de dados espectrosc?picos obtidos na regi?o do infravermelho. A bioespectroscopia na regi?o do infravermelho ? descrita como uma t?cnica n?o invasiva, de alto rendimento, baixo custo (quando comparado com t?cnica padr?es de an?lise) e objetivas, e que possui um enorme potencial na an?lise de bact?rias, complementando ou mesmo substituindo m?todos de diagn?stico de doen?as convencionalmente conduzidos por especialistas atrav?s de m?todos padr?es de an?lises de alto custo e que necessitam de reagentes espec?ficos. Os dados obtidos a partir da bioespectroscopia em amostras bacterianas s?o complexos e apresentam muitas bandas de sobreposi??o sendo necess?ria a aplica??o de ferramentas matem?ticas para superar estas dificuldades. Para isso, algumas ferramentas matem?ticas, como os m?todos de sele??o de vari?veis, que utilizam a an?lise discriminante linear com Algoritmo de Proje??o Sucessiva (SPA-LDA) e Algoritmo Gen?tico (GA-LDA), geralmente s?o utilizadas com a finalidade de facilitando a extra??o de informa??es relevantes. A espectroscopia na regi?o do infravermelho, em espec?fico infravermelho pr?ximo (NIR) e infravermelho com trasformata de Fourier e reflect?ncia total atenuada (ATR-FTIR), em conjunto com m?todos de sele??o de vari?veis (SPA-LDA e GA-LDA) foram utilizadas na discrimina??o de amostras de bact?rias (Sthaphylococcus aureus, Klebsiella pneumoneae e Pseudomonas aeruginosa). Foram identificados prov?veis biomarcadores como lip?deos e prote?nas em ~1550 cm-1 e 1400 cm-1 e vibra??es de DNA em ~1080 cm-1. Valores de sensibilidade de 75% e 95% para modelos de SPA-LDA e 100% e 93% para modelos GA-LDA foram encontrados. Com base nesses resultados, pode-se concluir que o SPA-LDA e GA-LDA em conjunto com a espectroscopia na regi?o do infravermelho mostraram-se ferramentas eficientes melhorando o tempo e custo de diagn?stico possibilitando o tratamento mais r?pido em rela??o aos m?todos padr?es de diagn?stico e, consequentemente, sendo poss?vel evitar a evolu??o de uma poss?vel infec??o. A segunda abordagem foi avaliar poss?veis mudan?as no perfil lipid?mico de bact?rias resultante de sua exposi??o a uma fonte de estresse externa (Ars?nio (III)), utilizando as cianobact?rias Anabaena sp. e Planktothrix agardhii. Os dados foram obtidos a partir a Cromatografia L?quida- Espectrometria de Massas (LC-MS) que por gerar uma matriz de dados muito extensa foi necess?ria a utiliza??o de uma estrat?gia de sele??o proposta recentemente, definida como ROI (do ingl?s regions of interests) que diminui significativamente o tamanho da matriz de dados obtidas por LC-MS. Resolu??o Multivariada de Curvas com M?nimos Quadrados Alternantes (MCR-ALS) foi utilizado como m?todo de resolu??o das fontes de varia??o, recuperando as informa??es de seus componentes puros que se encontravam misturadas. As massas majorit?rias encontradas, sendo algumas delas 766.54, 565.40 e 871.56 (m/z), determinam que as cianobact?rias estudadas, ao serem submetidas a As(III), sofrem mudan?as relacionadas a estruturas que comp?em os processos fotossint?ticos das mesmas. / This doctoral thesis is a theoretical-practical contribution for the development of studies that use bioanalytical, particularly biological materials from bacteria, which can be isolated, DNA, among others, in conjunction with chemistry analysis tools. For this, it was sought to identify bacterial differences when submitted to a source of stress from different analytical techniques. The first approach was based on biospectroscopy, using spectroscopic data obtained in the infrared region. Biospectroscopy in the infrared region is described as a non-invasive, high-throughput, low-cost (when compared with standard analytical techniques) and objective techniques, and has a huge potential in the analysis of bacteria, complementing or even replacing diagnostic methods of diseases conventionally conducted by skilled persons by standard methods of expensive analyzes and requiring specific reagents. The data obtained from biospectroscopy in bacterial samples are complex and have many overlapping bands and it is necessary to apply mathematical tools to overcome these difficulties. For this, some mathematical tools, such as variable selection methods, using Linear Discriminant Analysis with Successive Projection Algorithm (SPA-LDA) and Genetic Algorithm (GA-LDA), are generally used for the purpose of solving these data, facilitating the extraction of information. Infrared spectroscopy, in specific Near Infrared (NIR) and infrared spectroscopy with Fourier transform and Attenuated Total Reflectance (ATR- FTIR), in conjunction with variable selection methods (SPA-LDA and GA-LDA) was used in the discrimination of bacterial samples (Sthaphylococcus aureus, Klebsiella pneumoneae and Pseudomonas aeruginosa). Possible biomarkers such as lipids and proteins were identified at ~ 1550 cm -1 and 1400 cm -1 and DNA vibrations at ~ 1080 cm -1. Sensitivity values of 75% and 95% for SPA-LDA models and 100% and 93% for GA-LDA models were found. Based on these results, it can be concluded that the SPA-LDA and GA- LDA in conjunction with the infrared spectroscopy showed efficient tools improving the time and cost of diagnosis allowing the treatment faster than the standard methods of diagnosis, and consequently, it is possible to avoid the evolution of a possible infection. The second approach was to evaluate possible changes in the lipid profile of bacteria resulting from its exposure to an external stress source (Arsenic (III)), using the cyanobacteria Anabaena sp. and Planktothrix agardhii. The data were obtained from Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (LC-MS), which, in order to generate a very extensive data matrix, required the use of a recent selection strategy, defined as ROI (regions of interest), which significantly decreased the Size of the data matrix obtained by LC-MS. Multivariate Curve Resolution - Alternating Least Squares (MCR-ALS) was used as a method to solve variation sources, retrieving the information of its pure components that were mixed. The majority masses found, such as 766.54, 565.40 and 871.56 (m/z), determine that the studied cyanobacteria, when subjected to As (III), undergo changes related to structures that make up the photosynthetic processes of the same.

[ES] El aumento de la esperanza de vida en la población con edad por encima de 50 años está generando un mayor número de casos detectados de cáncer de próstata (CaP). Por este motivo, los recursos se destinan al diagnóstico en etapas tempranas y al tratamiento efectivo. A pesar de la multitud de estudios basados en biomarcadores y discriminación histológica, es difícil diferenciar con efectividad los casos de CaP con baja agresividad de aquellos que progresarán y acabarán produciendo mortalidad o una disminución en la esperanza de vida del paciente. Con el objetivo de mejorar el diagnostico, localización y gradación de los tumores malignos, las técnicas de imagen por Resonancia Magnética (MRI) son las más adecuadas para el estudio del cáncer, proporcionando métodos de diagnóstico no-invasivos, sensibles y específicos, basados en secuencias morfológicas (T2w) y funcionales (perfusión de la sangre y difusión del agua). Las diferentes características y parámetros extraídos de estas secuencias, conocidos como biomarcadores de imagen, pueden evaluar las diferencias asociadas al desarrollo de los procesos tumorales, como los modelos farmacocinéticos para estudiar angiogénesis (perfusión) y los modelos mono- y bi-exponenciales para estudiar la caída de la señal en difusión con el objetivo de estudiar la celularización. Normalmente, estos biomarcadores de imagen se analizan de forma "univariante", sin aprovechar la información de las estructuras de correlación interna que existen entre ellos. Una manera de mejorar este análisis es mediante la aplicación de las técnicas estadísticas que ofrece el Análisis Multivariante de Imágenes (MIA), obteniendo estructuras (latentes) simplificadas que ayudan a entender la relación entre los parámetros (variables) y sus propios procesos fisiológicos, además de reducir la incertidumbre en la estimación de los biomarcadores. En esta tesis, se han desarrollado nuevos biomarcadores de imagen para perfusión y difusión con la aplicación de alguna de las herramientas de MIA como la Resolución Multivariante de Curvas con Mínimos Cuadrados Alternos (MCR-ALS), obteniendo parámetros que tienen interpretación clínica directa. A continuación, los métodos basados en mínimos cuadrados parciales (PLS) se aplicaron para estudiar la capacidad de clasificación de estos biomarcadores. En primer lugar, los biomarcadores de perfusión se utilizaron para la detección de tumores (control vs lesión). Posteriormente, la combinación de perfusión + difusión + T2 se empleó para estudiar agresividad tumoral con la aplicación de métodos PLS multibloque, en concreto (secuencial) SMB-PLS. Los resultados mostrados indican que los biomarcadores de perfusión obtenidos mediante MCR son mejores que los parámetros farmacocinéticos en la diferenciación de la lesión. Con lo que respecta al estudio de la agresividad tumoral, la combinación de los biomarcadores de difusión (empleando ambos métodos: modelos paramétricos y MCR) y los valores de T2w normalizados proporcionaron los mejores resultados. En conclusión, MIA se puede aplicar a las secuencias morfológicas y funcionales de resonancia magnética para mejorar el diagnóstico y el estudio de la agresividad de los tumores en próstata. Obteniendo nuevos parámetros cuantitativos y combinándolos con los biomarcadores más ampliamente utilizados en el ambiente clínico. / [CAT] El increment de la esperança de vida en la població per damunt dels 50 anys està generant un major nombre de casos detectats de càncer de pròstata (CaP). Per aquest motiu, els recursos es destinen al diagnòstic en etapes primerenques i al tractament efectiu. Tot i la multitud de estudis basats en biomarcadors y discriminació histològica, es difícil diferenciar amb efectivitat els casos de CaP que tenen baixa agressivitat dels que progressaran y acabaran produint mortalitat o una disminució en la esperança de vida del pacient. Amb el objectiu de millorar el diagnòstic, localització y gradació dels tumors malignes, les tècniques de imatge per Ressonància Magnètica (MRI) son els mètodes més adequats per al estudi del càncer, proporcionant metodologies de diagnòstic no-invasius, sensibles y específiques basades en seqüències morfològiques (T2w) y funcionals (perfusió de la sang y difusió del aigua). Les diferents característiques i paràmetres extrets de aquestes seqüències, coneguts com biomarcadors d'imatge, poden avaluar les diferències associades al desenvolupament dels processos tumorals. Primer, amb els models farmacocinétics per a estudiar angiogènesis (perfusió) y segon, amb els models mono- i bi-exponencials per a estudiar la caiguda de la senyal en difusió amb el objectiu de estudiar la cel·lularització. Normalment, aquests biomarcadors d'imatge s'analitzen de forma "univariant", sense aprofitar la informació de las estructures de correlació interna que existeixen entre ells. Una forma de millorar aquest anàlisis es mitjançant la aplicació de las tècniques estadístiques aportades pel Anàlisis Multivariant de Imatges (MIA), obtenint estructures (latents) simplificades què ajuden a entendre la relació entre els paràmetres (variables) i els seus processos fisiològics, a més de reduir la incertesa en la estimació dels biomarcadors. En aquesta tesis, s'han desenvolupat nous biomarcadors d'imatge per a perfusió i difusió amb la aplicació de alguna de las ferramentes de MIA com la Resolució Multivariant de Corbes i Mínims Quadrats Alterns (MCR-ALS), obtenint paràmetres què tenen interpretació clínica directa. A continuació, els mètodes basats en mínims quadrats parcials (PLS) s'han aplicat per a estudiar la capacitat de classificació d'aquests biomarcadors. En primer lloc, els biomarcadors de perfusió s'han utilitzat per a la detecció de tumors (control contra lesió). Posteriorment, la combinació de perfusió + difusió + T2 s'ha utilitzat per a estudiar agressivitat tumoral amb la aplicació de mètodes PLS multi-bloc, en concret (seqüencial) SMB-PLS. Els resultats mostren què els biomarcadors de perfusió obtinguts mitjançant MCR són millors què els paràmetres farmacocinètics en la diferenciació de la lesió. En lo què es refereix al estudi de la agressivitat tumoral, la combinació dels biomarcadors de difusió (utilitzant els dos mètodes: models paramètrics i MCR) i els valors de T2w normalitzats proporcionaren els millors resultats. En conclusió, MIA es pot aplicar a les seqüències morfològiques i funcionals de ressonància magnètica per a millorar el diagnòstic i el estudi de l'agressivitat dels tumors en pròstata. Obtenint nous paràmetres quantitatius y combinant-los amb els biomarcadors més utilitzats en el ambient clínic. / [EN] The increase in life expectancy and population with age higher than 50 years is producing a major number of detected cases of prostate cancer (PCa). For this reason, the resources are focused in the early diagnosis and effective treatment. In spite of multiple studies with histologic discriminant biomarkers, it is hard to clearly differentiate the low aggressiveness PCa cases from those that will progress and produce mortality or rather a decrease in the life expectancy. With the objective of improving the diagnosis, location and gradation of the malignant tumors, Magnetic Resonance Imaging (MRI) has come up as the most appropriate image acquisition technique for cancer studies, which provides a non-invasive, sensitive and specific diagnosis, based on morphological and functional (blood perfusion and water diffusion) sequences. The different characteristics and parameters extracted from these sequences, known as imaging biomarkers, can evaluate the different processes associated to tumor development, like pharmacokinetic modeling for angiogenesis assessment (perfusion) or mono- and bi-exponential signal decay modeling for cellularization (diffusion). Normally, these imaging biomarkers are analyzed in a "univariate" way, without taking advantage of the internal correlation structures among them. One way to improve this analysis is by applying Multivariate Image Analysis (MIA) statistical techniques, obtaining simplified (latent) structures that help to understand the relation between parameters (variables) and the inner physiological processes, moreover reducing the uncertainty in the estimation of the biomarkers. In this thesis, new imaging biomarkers are developed for perfusion and diffusion by applying MIA tools like Multivariate Curve Resolution Alternating Least Squares (MCR-ALS), obtaining parameters with direct clinical interpretation. Partial Least Squares (PLS) based methods are then used for studying the classification capability of these biomarkers. First, perfusion imaging biomarkers have been tested for tumor detection (control vs lesion). Then, diffusion + perfusion have been combined to study tumor aggressiveness by applying PLS-multiblock methods (SMB-PLS). The results showed that MCR-based perfusion biomarkers performed better than state-of-the-art pharmacokinetic parameters for lesion differentiation. Regarding the assessment of tumor aggressiveness, the combination of diffusion-based imaging biomarkers (using both the parametric models and MCR) and normalized T2-weighted measurements provided the best discriminating outcome, while perfusion was not needed as it did not supply additional information. In conclusion, MIA can be applied to morphologic and functional MRI to improve the diagnosis and aggressiveness assessment of prostate tumors by obtaining new quantitative parameters and combining them with state-of-the-art imaging biomarkers. / Aguado Sarrió, E. (2019). Application of multivariate image analysis to prostate cancer for improving the comprehension of the related physiological phenomena and the development and validation of new imaging biomarkers [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/134023 / TESIS

La fitorremediación es una técnica de descontaminación de ecosistemas que aprovecha la capacidad de las plantas para acumular sustancias tóxicas en su interior sin que afecten severamente a su ciclo vital. Dicha técnica presenta un bajo impacto medioambiental, convirtiéndose en una alternativa a los métodos clásicos, más agresivos y costosos. En lo referente a metales pesados, las plantas inducen la síntesis intracelular de fitoquelatinas (PC), ligandos tiólicos que complejan los metales y los almacenan en orgánulos celulares de bajo metabolismo como las vacuolas. A pesar de las investigaciones realizadas hasta la fecha, el mecanismo de actuación de las fitoquelatinas no está totalmente establecido, incluida la secuencia de formación y la estequiometria final de los complejos PC-M. Por esta razón, resulta de gran interés estudiar estos procesos de complejación, pues sus conclusiones pueden ayudar a entender la fitorremediación y a optimizar su aplicación. Las investigaciones recogidas en esta tesis se sustentan -como metodología básica- en el análisis quimiométrico mediante MCR-ALS de los datos obtenidos de valoraciones complexométricas registradas por técnicas electroanalíticas, concluyendo con la proposición de modelos de complejación para el sistema en estudio. La elección del plomo como metal complejante se debe a su alta toxicidad y dispersión en el medio ambiente, así como por suponer un paso más en el uso de dicha metodología, pues el estudio de los sistemas PC/Pb(II) presentan problemas que la dificultan. Estos problemas son, principalmente, el desplazamiento lateral de las señales voltamperométricas que produce un decrecimiento en la linealidad de los datos obtenidos, y la presencia de señales anódicas que favorece un fuerte solapamiento entre los picos de las diferentes especies químicas; ambos problemas comprometen la aplicación del método MCR-ALS y el correcto examen de los resultados. El objetivo de esta tesis adquiere así una doble vertiente. Por un lado, para solucionar dichos problemas y, de alguna forma, ampliar la aplicabilidad de MCR-ALS a eventuales sistemas más complejos, se estudian nuevas adaptaciones metodológicas (análisis MCR-ALS de matrices espectro-voltamperométricas), herramientas (programa shiftfit, que corrige el desplazamiento de potencial de las señales voltamperométricas) y metodologías experimentales (uso de electrodos alternativos al de mercurio). Por otro lado, se procura la consecución de resultados para los propios sistemas PC/Pb(II) estudiados, es decir, la determinación de modelos de complejación lo bastante completos y sólidos para servir de apoyo a los resultados de los estudios in vivo o in vitro. Los trabajos publicados y la explicación de los resultados están organizados en tres bloques: • El primer bloque (artículo 11.1) recoge la aproximación inicial al estudio de la complejación de fitoquelatinas y ligandos relacionados con plomo utilizando la metodología básica. Los resultados ponen de relieve la relativa solvencia del procedimiento, así como el verdadero alcance de los problemas que se describen en el capítulo 5. • El segundo bloque recopila los resultados de la aplicación de las nuevas metodologías y herramientas propuestas para solucionar las insuficiencias o ambigüedades de los modelos de complejación obtenidos en el artículo anterior. Estas metodologías son el análisis quimiométrico conjunto de valoraciones registradas por polarografía y dicroísmo circular (11.2), la formulación del programa shiftfit que corrige el movimiento lateral de señales polarográficas, es decir, la falta de un valor fijo del potencial de pico (11.3) y, finalmente, el uso del electrodo de película de bismuto (BiFE) con la intención de minimizar el solapamiento que producen las señales anódicas (11.4). • Tras la aplicación de estas metodologías a sistemas sencillos, en el tercer bloque se aplican a sistemas con plomo (11.5 y 11.6), incluyendo la comparación de los diferentes modelos de complejación obtenidos en los artículos 11.1 y 11.5 para el sistema PC3/Pb(II). / Phytoremediation is a decontamination technique that takes profit by the plants ability to accumulate toxic substances without affecting severely their vital cycles. This technique presents the advantatges of being cheap and non-destructive to ecological systems. Regarding heavy metals, plants induce the intracellular synthesis of phytochelatins (PC), Cys-rich polypeptides that complex metals and storage them in cellular organelles of limited metabolism as vacuoles. Despite the research achieved to date, the mechanism of actuation of phytochelatins is not entirely established, including the sequence of formation and the final stoichiometry of the PC-M complexes. By this reason, it is of great interest to study these complexation processes, reaching conclusions that would be able to help the optimization of phytoremediation. The investigations collected in this doctoral thesis are held -as basic methodology- in the chemometric analysis through MCR-ALS of the data obtained from complexometric titrations carried out by voltammetric techniques. This methodology concludes with the proposition of complexation models for the systems under study, but when lead is used as complexing metal, PC/Pb(II) systems present problems that make it more difficult. Mainly, these problems are the lateral movement of the voltammetric signals (producing a decrease in the linearity of the data), and the presence of anodic signals that propitiate a strong overlapping between peaks of different chemical species; both troubles compromise the MCR-ALS application and the correct investigation of the results. To solve the aforementioned problems -and that way to increase the applicability of MCR-ALS to more complex systems-, some new tools have been applied for the first time: • Methodologic adaptations as the MCR-ALS simultaneous analysis of spectro- and electrochemical data (row-wise CD-DPP augmented matrices) to differenciate real chemical species from physicochemical or kinetic phenomena of the diffusion layer. • Chemometric programs as shiftfit that corrects the potential shift of the polarographic signals to obtain a matrix of corrected voltammograms with an increased linearity. • The use of the bismuth film electrode (BiFE) for complexation studies, to minimize the overlapping produced by the anodic signals.