<div>Rare circulating cells are becoming a subject of interest due to their potential clinical applications to replace invasive procedures. Due their low presence in blood (as low as 1 in 1 ml of blood) various platforms are developed to capture and isolate them. Common limitations of current platforms include the inability to process large volumes of blood without an initial volume reduction step such as centrifugation, reliance on a single antibody for the capture, and the difficulty of releasing and retrieving the captured cells with high purity. A rare cell retrieval platform with high throughput operation and high purity retrieval is needed to capture these rare cells by processing large volumes of blood.</div><div><br></div><div>In this thesis study, we have developed a two-tiered microchip system to capture and retrieve rare cells from blood samples with high purity. The first module of the system is a high throughput microfluidic interface that is used to immunomagnetically isolate targeted rare cells from whole blood, and discard > 99.999% of the unwanted leukocytes. The second module is a microwell array that furthers the purification by magnetically guiding each cell into a separate well concurrently, and allows individual retrieval of each cell. Even though the system we have developed is applicable to many fields pertaining to rare cell capture, here we demonstrate the proof-of-concept using model cell lines that represent circulating fetal trophoblasts. We describe the design, operation as well as the experimental characterization of the system. Our characterization results show that the process can be completed within 145 minutes from the very beginning till the retrieval of a target cell, and can provide efficiencies and purities that are as high as 100%. </div><div><br></div><div>In order to demonstrate a real-world use case for our device, we present preliminary experiments done with blood samples from pregnant women. We show that we are able to retrieve candidate fetal cells under 167 minutes. Future work will be focused on sequencing the candidate fetal cells retrieved from maternal samples to confirm their fetal origin as well as enhancing system performance in maximizing the number of cells captured.</div><div><br></div>

No description available.

In breast cancer, the genetic profiling of circulating cell-free DNA (cfDNA) from blood plasma was shown to have good potential for clinical use. In contrast, only a few studies were performed investigating urinary cfDNA. In this pilot study, we analyzed plasma-derived and matching urinary cfDNA samples obtained from 15 presurgical triple-negative breast cancer patients. We used a targeted next-generation sequencing approach to identify and compare genetic alterations in both body fluids. The cfDNA concentration was higher in urine compared to plasma, but there was no significant correlation between matched samples. Bioinformatical analysis revealed a total of 3339 somatic breast-cancer-related variants (VAF ≥ 3%), whereof 1222 vs. 2117 variants were found in plasma-derived vs. urinary cfDNA, respectively. Further, 431 shared variants were found in both body fluids. Throughout the cohort, the recovery rate of plasma-derived mutations in matching urinary cfDNA was 47% and even 63% for pathogenic variants only. The most frequently occurring pathogenic and likely pathogenic mutated genes were NF1, CHEK2, KMT2C and PTEN in both body fluids. Notably, a pathogenic CHEK2 (T519M) variant was found in all 30 samples. Taken together, our results indicated that body fluids appear to be valuable sources bearing complementary information regarding the genetic tumor profile.

Das Prostatakarzinom (PCa) ist die häufigste Krebsneuerkrankung und die zweithäufigste Krebstodesursache des Mannes in Deutschland. Die etablierten Tumormarker führen aufgrund ihrer unzureichenden diagnostischen Sensitivität und Spezifität zu Überdiagnosen mit folglich unnötigen Prostatabiopsien und den damit verbundenen klinischen Komplikationen. Darüber hinaus kann die derzeitige PSA-basierte Screeningpraxis nicht zuverlässig zwischen indolenter Erkrankung und therapienotwendigem Krebs unterscheiden. Auf DNA-Methylierung basierende Biomarker haben ein erhebliches Potenzial für die klinisch-chemische Labordiagnostik sowohl als tumorspezifische Biomarker für die Früherkennung oder posttherapeutische Überwachung von Krebs als auch als prognostische und prädiktive Biomarker für die therapeutische Stratifizierung. In dieser Arbeit erfolgte die Entwicklung neuer krebsspezifischer Methylierungs-Biomarker unter Anwendung OBBPA-ddPCR-basierter Assays. Diese neue Methode ermöglicht die Identifizierung geringster Mengen methylierter zellfreier-Tumor-DNA vor einem hohen Hintergrund von unmethylierter Wildtyp-DNA in Form einer minimal invasiven Blutprobenentnahme (liquid biopsy). Die Methylierungs-Biomarker beruhen auf Gensequenzen, welche zwischen gesunden Probanden und Patienten mit benigner Prostatahyperplasie (BPH) und PCa signifikante Methylierungsunterschiede aufweisen. Die Methylierungs-Biomarker RASSF1, SOX8, GSTP1, mir129-2, CCDC181, PAI1 und NRIP3, welche eine hohe diagnostische Sensitivität bei hoher diagnostischer Spezifität aufweisen, wurden zu einem Marker-Panel kombiniert. Anschließend wurde die Eignung dieses Panels als diagnostische Tumormarker in einer weiteren Probenserie validiert. Die Proben der Optimierungs- und Validierungsprobenserie beruhten auf Serumproben von 52 gesunden Probanden, sechs BPH-Patienten und 43 PCa-Patienten. Dabei erreichte das Biomarker-Panel eine diagnostische Sensitivität von 81,40 % bei einer diagnostischen Spezifität von 100 %. Die Methylierungsanalyse der cfDNA könnte deshalb als sinnvolles Hilfsmittel, ergänzend zur PSA-Bestimmung im Serum, bei der PCa-Frühdiagnose eingesetzt werden. Außerdem legen die Ergebnisse dieser Arbeit nahe, dass die Anzahl der methyliert vorliegenden epigenetischen Biomarker des Panels als prognostischer Parameter sowie zur Verlaufskontrolle und Risiko-Stratifizierung der Tumorerkrankung dienen könnte. Um diese Daten zu bestätigen und das Potenzial der cfDNA-Methylierungsanalyse weiter einschätzen zu können, bedarf es jedoch weiterer Untersuchungen mit größerer Stichprobenanzahl, verbesserter Präanalytik und größeren Probenvolumen.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Prostatakarzinom 1.2 Benigne Prostatahyperplasie 1.3 Tumor-/Biomarker 1.3.1 Flüssigbiopsie „Liquid biopsy“ 1.3.2 Zirkulierende zellfreie (Tumor-)DNA 1.3.3 Methylierung der cfDNA 1.3.4 Etablierte Tumor-Biomarker – Das Prostataspezifisches Antigen 1.4 Verfahren zu DNA-Methylierungsanalyse 1.4.1 Experimentelle Tumor-Biomaker 1.4.2 State-of-the-Art Methylierungsanalyse-Methoden 1.4.3 OBBPA-ddPCR 1.5 Motivation und Hintergrund 2 Material 2.1 Biologisches Material 2.2 Primer und Sonden 2.3 Chemikalien und Reagenzien 2.4 Puffer und Lösungen 2.5 Kitsysteme 2.6 Laborgeräte 2.7 Software 2.8 Verbrauchsmaterial 3 Methoden 3.1 Biomarker-Recherche 3.2 Primer- und Sondendesign 3.3 Whole genome amplification (WGA) des 0%-DNA-Standards (0%-SD) 3.4 Methyltransferase-Behandlung des 100%-SD 3.5 Aufreinigung der Standards 3.6 Quantitative real-time PCR (qPCR) und Methylation-sensitive high resolution melting (MS-HRM)-PCR 3.7 Agarose-Gelelektrophorese 3.8 Isolierung zellfreier DNA aus Blutproben 3.9 DNA-Konzentrationsbestimmung 3.10 Bisulfitkonversion 3.11 Optimierte Bias-basierte Prä-Amplifikation mit anschließender ddPCR (OBBPA-ddPCR) 3.11.1 Präamplifikation 3.11.2 Droplet Digital PCR (ddPCR) 3.12 Datenanalyse 3.13 Statistische Analyse 4 Ergebnisse 4.1 Ergebnisse der Biomarker-Recherche 4.2 Ergebnisse der qPCR und MS-HRM-PCR 4.2.1 Ermittlung der qPCR TA, TM und Cq-Werte der neuen Marker 4.2.2 Testung der neuen Marker in der MS-HRM-PCR an Serumproben von gesunden Probanden und PCa-Patienten 4.3 Ergebnisse der Primer- und Sondenbedingungen der OBBPA-ddPCR 45 4.3.1 ddPCR-Bedingungen 4.3.2 Präamplifikationsbedingungen 4.4 Ergebnisse der Datenanalyse und Auswertungsoptimierung 4.4.1 Datenanalyse 4.4.2 OBBPA-ddPCR-Bedingungen des Marker-Panels 4.5 Ergebnisse der Blutuntersuchungen 4.5.1 Vergleich der PCa-, BPH- und GM-Kohorten hinsichtlich ihres DNA-Methylierungsanteils 4.5.2 Vergleich der PCa-Subkohorten unterschiedlicher PSA-Wertbereiche hinsichtlich ihres Methylierungsanteils 4.5.3 Vergleich der Marker hinsichtlich ihrer diagnostischen Sensitivität bei 100 %iger diagnostischer Spezifität 4.5.4 Vergleich der diagnostischen Sensitivität der einzelnen Marker und des Marker-Panels hinsichtlich PCa-Proben unterschiedlicher PSA-Konzentrationsbereiche 4.5.5 Vergleich der Optimierungs- und Validierungsprobenserie hinsichtlich ihrer diagnostischen Sensitivität bei einer diagnostischen Spezifität von 100 % 5 Diskussion 5.1 Limitierungen etablierter PCa-Tumormarker 5.2 Suche und Etablierung eines neuen Biomarker-Panels 5.3 Ergebnisse des neu entwickelten Biomarker-Panels 5.3.1 GSTP1 5.3.2 RASSF1A 5.3.3 SOX8 5.3.4 CCDC181 5.3.5 MIR129-2 5.3.6 PAI-1 5.3.7 NRIP3 5.4 Gesamt-Performance des Biomarker-Panels 5.5 Ausblick 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Referenzen 9 Anhang Danksagung Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens Anlage 2: Bestätigung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben / Prostate cancer (PCa) is the most common newly diagnosed cancer and the second leading cause of cancer-related deaths among men in Germany. The insufficient diagnostic sensitivity and specificity of established tumor markers, lead to overdiagnosis, resulting in unnecessary prostate biopsies and associated clinical complications. Furthermore, the current PSA-based screening practice cannot reliably distinguish between indolent disease and clinically significant cancer. DNA methylation-based biomarkers have significant potential for clinical laboratory diagnostics, both as tumor-specific biomarkers for early detection or post-therapeutic monitoring of cancer, and as prognostic and predictive biomarkers for therapeutic stratification. This study aimed to develop novel cancer-specific methylation biomarkers using OBBPA-ddPCR-based assays. This new method enables the identification of minute amounts of methylated cell-free tumor DNA amidst a high background of unmethylated wild-type DNA, using a minimally invasive blood sample collection (liquid biopsy). The methylation biomarkers are based on gene sequences that exhibit significant methylation differences between healthy individuals and patients with benign prostatic hyperplasia (BPH) and PCa. The methylation biomarkers RASSF1, SOX8, GSTP1, mir129-2, CCDC181, PAI1, and NRIP3, which demonstrate high diagnostic sensitivity with high diagnostic specificity, were combined into a marker panel. Subsequently, the suitability of this panel as diagnostic tumor marker was validated in an additional series of samples. The optimization and validation sample series consisted of serum samples from 52 healthy individuals, six BPH patients, and 43 PCa patients. The biomarker panel achieved a diagnostic sensitivity of 81.40% with a diagnostic specificity of 100%. Therefore, the methylation analysis of cfDNA could serve as a valuable addition to serum PSA determination in the early diagnosis of prostate cancer. Additionally, the results of this study suggest that the number of hypermethylated epigenetic biomarkers of the selected panel could serve as a prognostic parameter, as well as for disease monitoring and risk stratification. However, further investigation with larger sample sizes, improved pre-analytical procedures, and larger sample volumes is needed to confirm these findings and assess the potential of cfDNA methylation analysis.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Prostatakarzinom 1.2 Benigne Prostatahyperplasie 1.3 Tumor-/Biomarker 1.3.1 Flüssigbiopsie „Liquid biopsy“ 1.3.2 Zirkulierende zellfreie (Tumor-)DNA 1.3.3 Methylierung der cfDNA 1.3.4 Etablierte Tumor-Biomarker – Das Prostataspezifisches Antigen 1.4 Verfahren zu DNA-Methylierungsanalyse 1.4.1 Experimentelle Tumor-Biomaker 1.4.2 State-of-the-Art Methylierungsanalyse-Methoden 1.4.3 OBBPA-ddPCR 1.5 Motivation und Hintergrund 2 Material 2.1 Biologisches Material 2.2 Primer und Sonden 2.3 Chemikalien und Reagenzien 2.4 Puffer und Lösungen 2.5 Kitsysteme 2.6 Laborgeräte 2.7 Software 2.8 Verbrauchsmaterial 3 Methoden 3.1 Biomarker-Recherche 3.2 Primer- und Sondendesign 3.3 Whole genome amplification (WGA) des 0%-DNA-Standards (0%-SD) 3.4 Methyltransferase-Behandlung des 100%-SD 3.5 Aufreinigung der Standards 3.6 Quantitative real-time PCR (qPCR) und Methylation-sensitive high resolution melting (MS-HRM)-PCR 3.7 Agarose-Gelelektrophorese 3.8 Isolierung zellfreier DNA aus Blutproben 3.9 DNA-Konzentrationsbestimmung 3.10 Bisulfitkonversion 3.11 Optimierte Bias-basierte Prä-Amplifikation mit anschließender ddPCR (OBBPA-ddPCR) 3.11.1 Präamplifikation 3.11.2 Droplet Digital PCR (ddPCR) 3.12 Datenanalyse 3.13 Statistische Analyse 4 Ergebnisse 4.1 Ergebnisse der Biomarker-Recherche 4.2 Ergebnisse der qPCR und MS-HRM-PCR 4.2.1 Ermittlung der qPCR TA, TM und Cq-Werte der neuen Marker 4.2.2 Testung der neuen Marker in der MS-HRM-PCR an Serumproben von gesunden Probanden und PCa-Patienten 4.3 Ergebnisse der Primer- und Sondenbedingungen der OBBPA-ddPCR 45 4.3.1 ddPCR-Bedingungen 4.3.2 Präamplifikationsbedingungen 4.4 Ergebnisse der Datenanalyse und Auswertungsoptimierung 4.4.1 Datenanalyse 4.4.2 OBBPA-ddPCR-Bedingungen des Marker-Panels 4.5 Ergebnisse der Blutuntersuchungen 4.5.1 Vergleich der PCa-, BPH- und GM-Kohorten hinsichtlich ihres DNA-Methylierungsanteils 4.5.2 Vergleich der PCa-Subkohorten unterschiedlicher PSA-Wertbereiche hinsichtlich ihres Methylierungsanteils 4.5.3 Vergleich der Marker hinsichtlich ihrer diagnostischen Sensitivität bei 100 %iger diagnostischer Spezifität 4.5.4 Vergleich der diagnostischen Sensitivität der einzelnen Marker und des Marker-Panels hinsichtlich PCa-Proben unterschiedlicher PSA-Konzentrationsbereiche 4.5.5 Vergleich der Optimierungs- und Validierungsprobenserie hinsichtlich ihrer diagnostischen Sensitivität bei einer diagnostischen Spezifität von 100 % 5 Diskussion 5.1 Limitierungen etablierter PCa-Tumormarker 5.2 Suche und Etablierung eines neuen Biomarker-Panels 5.3 Ergebnisse des neu entwickelten Biomarker-Panels 5.3.1 GSTP1 5.3.2 RASSF1A 5.3.3 SOX8 5.3.4 CCDC181 5.3.5 MIR129-2 5.3.6 PAI-1 5.3.7 NRIP3 5.4 Gesamt-Performance des Biomarker-Panels 5.5 Ausblick 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Referenzen 9 Anhang Danksagung Anlage 1: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens Anlage 2: Bestätigung über Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Vorgaben

[ES] A pesar de los nuevos avances en el tratamiento del cáncer de pulmón, su tasa de incidencia y mortalidad siguen en cabeza en todo mundo. Concretamente, el cáncer de pulmón no microcítico (CPNM) representa casi el 85% de todos los cánceres de pulmón, siendo su supervivencia a 5 años muy reducida. En base a dicho escenario, el objetivo principal de este trabajo es el de caracterizar de manera exhaustiva los exosomas secretados por las células del CPNM. Se sabe que estas microvesículas están involucradas en números procesos celulares, por lo que pueden contener gran cantidad de información acerca de las características moleculares del tumor. Para ello se han empleado cultivos primarios y líneas comerciales crecidas en diferentes condiciones, así como muestras de sangre periférica obtenida de los pacientes con CPNM. Un primer screening llevado a cabo en los exosomas secretados in vitro, ha permitido obtener un gran número de mRNAs y miRNAs relacionados con diferentes procesos biológicos y vías de señalización. Además, algunos genes como FDFT1 y SNAI1 han destacado por su sobreexpresión en exosomas procedentes de las células crecidas en formación de tumoresferas (modelos 3D), las cuales están enriquecidas en población de células madre tumorales. A su vez, otros marcadores presentes en el interior de estas microvesículas, se han mostrado relacionados con dos de los subtipos histológicos más frecuentes: adenocarcinoma (LUAD) y carcinoma escamoso (LUSC). Posteriormente, para validar los hallazgos obtenidos en exosomas, los marcadores más significativos fueron analizados in silico en una cohorte de muestras de tejido, compuesta por 661 pacientes con CPNM (TCGA database). Estos resultados han revelado una asociación entre la expresión del gen SNAI1 y la supervivencia de estos pacientes (OS y RFS p<0.05). Además, los genes XAGE1B, SEPP1 y TTF-1 (previamente determinados en exosomas), mantienen una relación significativa con el grupo de pacientes LUAD; mientras que CABYR, RIOK3 y CAPRIN1 se mantienen sobrexpresados en LUSC (Mann-Whitney test p<0.05). Estos marcadores también se han analizado en una cohorte de 186 pacientes con CPNM procedentes del Hospital General Universitario de Valencia, donde se corroboró la asociación de SNAI1 con la supervivencia de los pacientes en estadios tempranos (RFS en pacientes LUAD, p<0.05), así como la sobreexpresión de CABYR y RIOK3 en pacientes LUSC, y de XAGE1B y TTF-1 en LUAD. Por otra parte, el aislamiento de los exosomas presentes en la sangre periférica de pacientes en estadios avanzados, ha permitido identificar otros marcadores asociados a caracterísiticas clínico-patológicas relevantes. A su vez, el contenido de estas microvesículas ha sido empleado para la detección de mutaciones génicas ligadas al manejo clínico del CPNM. En resumen, los resultados obtenidos en este trabajo ponen de manifiesto el potencial de los exosomas como fuente de biomarcadores para el estudio de las diferentes etapas de desarrollo del CPNM. Estas microvesículas ofrecen una visión completa y en tiempo real, de las características de la enfermedad, pudiendo ser aisladas de forma repetida y mediante técnicas mínimamente invasivas. / [CA] A pesar dels avanços recents en el tractament del càncer de pulmó, les seues taxes d'incidència i mortalitat continuen sent altes a nivell mundial. Concretament, el càncer de pulmó de cèl·lules no petites (CPNM) representa gairebé el 85% de tots els càncers de pulmó, amb una taxa de supervivència a 5 anys molt limitada. Donat aquest escenari, l'objectiu principal d'aquest estudi és caracteritzar de manera exhaustiva els exosomes secretats per les cèl·lules de CPNM. Aquestes microvesícules estan involucrades en nombrosos processos tumorals i poden contenir una gran quantitat d'informació sobre les característiques moleculars de la malaltia. Per aconseguir-ho, es van utilitzar cultius primaris i línies cel·lulars (cultiu en diferents condicions), juntament amb mostres de sang perifèrica obtingudes de pacients amb CPNM. Un cribratge inicial en exosomes secrets in vitro va permetre identificar una quantitat significativa de mARNs i miARNs relacionats amb diversos processos biològics i vies de senyalització. A més, alguns gens com FDFT1 i SNAI1 van destacar per la seua sobreexpressió en exosomes derivats de cèl·lules crescuts en formació de tumorsferes (models 3D), que estan enriquides en poblacions de cèl·lules mare tumorals. A més, s'han trobat marcadors en aquestes microvesícules associats amb dos dels subtipus histològics més comuns: adenocarcinoma (LUAD) i carcinoma escamós (LUSC). Posteriorment, per validar els resultats obtinguts en exosomes, es van analitzar in silico els marcadors més significatius en una cohort de teixit de CPNM de la base de dades TCGA. Aquests resultats van revelar una associació entre l'expressió del gen SNAI1 i la supervivència dels pacients (OS i RFS, p <0,05). A més, l'expressió dels gens XAGE1B, SEPP1 i TTF-1 (prèviament identificats en exosomes) va mantenir una relació significativa amb el grup LUAD, mentre que CABYR, RIOK3 i CAPRIN1 van continuar sobreexpressats en els pacients de LUSC (prova de Mann-Whitney, p <0,05). Aquests marcadors també es van analitzar en una cohort de 186 pacients amb CPNM de l'Hospital General Universitari de València, on es va confirmar l'associació de l'expressió de SNAI1 i la supervivència dels pacients en estadi precoç (RFS en pacients de LUAD, p <0,05), així com la sobreexpressió de CABYR i RIOK3 en pacients de LUSC, i de XAGE1B i TTF-1 en LUAD. D'altra banda, els exosomes presents en mostres de sang de la cohort d'estadis avançats van permetre la identificació d'altres biomarcadors associats a característiques clíniques rellevants dels pacients. A més, la càrrega exosomàtica també es va utilitzar per detectar mutacions genètiques relacionades amb el tractament clínic del CPNM. En resum, els resultats obtinguts en aquesta tesi destaquen el potencial dels exosomes com a font de biomarcadors per a l'estudi de les diferents etapes del desenvolupament del CPNM. Aquestes microvesícules ofereixen una visió completa i en temps real de les característiques moleculars de la malaltia i poden ser obtingudes de manera repetida i amb una mínima invasió. / [EN] Despite recent advancements in lung cancer treatment, its incidence and mortality rates remain high worldwide. Specifically, non-small cell lung cancer (NSCLC) accounts for nearly 85% of all lung cancers, with a 5-year survival rate of 20%. Given this scenario, the primary objective of this study is to comprehensively characterize the exosomes secreted by NSCLC cells. These microvesicles are known to be involved in numerous tumoral processes, potentially containing a wealth of information about the molecular characteristics of the disease. To achieve this, primary cultures and cell lines, along with peripheral blood samples obtained from NSCLC patients were used. An initial screening in exosomes secreted in vitro allowed the identification of a significant number of mRNAs and miRNAs, related to various biological processes and signaling pathways. Moreover, some genes such as FDFT1 and SNAI1 stood out due to their overexpression in exosomes derived from cells grown in tumorspheres formation (3D models), which are enriched in cancer stem cell population. Additionally, markers found within these microvesicles were associated with two of the most common histological subtypes: adenocarcinoma (LUAD) and squamous cell carcinoma (LUSC). Subsequently, to validate the findings seen in exosomes, the most significant markers were analyzed in silico in an NSCLC tissue cohort from the TCGA database. These results revealed an association between the expression of SNAI1 and patient survival (OS and RFS, p<0.05). Furthermore, XAGE1B, SEPP1, and TTF-1 expression (previously identified in exosomes) maintained a significant relationship with the LUAD group, while CABYR, RIOK3, and CAPRIN1 remained overexpressed in LUSC patients (Mann-Whitney test, p<0.05). These markers were also analyzed in a cohort of 186 NSCLC patients from the University General Hospital of Valencia. The association of SNAI1 expression and the survival of early-stage patients (RFS in LUAD patients, p<0.05) was confirmed, as well as the overexpression of CABYR and RIOK3 in LUSC patients, and of XAGE1B and TTF-1 in LUAD. Furthermore, exosomes present in blood samples of the advanced-stage cohort, allowed the identification of other biomarkers associated with clinically relevant characteristics of the patients. Moreover, exosomal cargo was also used to detect gene mutations related to the clinical management of NSCLC. In summary, the results obtained in this thesis highlight the potential of exosomes as a source of biomarkers for the study of the different stages of NSCLC development. These microvesicles offer a comprehensive and real-time view of the disease's molecular features and can be obtained repeatedly and in a minimally invasive way. / Duréndez Sáez, ME. (2024). Liquid Biopsy in non-small cell lung cancer: exosomes as a tool for the study of biomarkers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203438

Colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer worldwide; it is responsible for nearly 10% of all newly diagnosed cancers and is the second most cause of cancer related death in Europe. Biomarkers for therapy guidance, targeted therapy and survival prognosis are still limited. As CRC is a heterogeneous disease, different parts of the tumor might have varying molecular characteristics which may change during therapy or disease progression. Through solid biopsies and screenings, these local or temporal differences are impossible to monitor. To facilitate detection of these possible temporal changes, a regularly and non-invasively accessible biomarker is required for disease monitoring. Circulating tumor cells (CTCs) might represent such a biomarker as they have been shown to be fluid surrogates of the solid tumor. EpCAM positive CTCs have shown to be prognostic in CRC for survival, but their full potential has not yet been evaluated further. By using the High Definition Single Cell Analysis (HD-SCA) workflow, we were able to analyze the entire spectrum of CTCs and categorize them as the regular CTCs (HD-CTC), CTCs with a smaller nuclear area (CTC-Small), CTCs with low expression of epithelial marker cytokeratin (CTC-LowCK) and CTCs undergoing apoptosis and therefore releasing cell free DNA...

Colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer worldwide; it is responsible for nearly 10% of all newly diagnosed cancers and is the second most cause of cancer related death in Europe. Biomarkers for therapy guidance, targeted therapy and survival prognosis are still limited. As CRC is a heterogeneous disease, different parts of the tumor might have varying molecular characteristics which may change during therapy or disease progression. Through solid biopsies and screenings, these local or temporal differences are impossible to monitor. To facilitate detection of these possible temporal changes, a regularly and non-invasively accessible biomarker is required for disease monitoring. Circulating tumor cells (CTCs) might represent such a biomarker as they have been shown to be fluid surrogates of the solid tumor. EpCAM positive CTCs have shown to be prognostic in CRC for survival, but their full potential has not yet been evaluated further. By using the High Definition Single Cell Analysis (HD-SCA) workflow, we were able to analyze the entire spectrum of CTCs and categorize them as the regular CTCs (HD-CTC), CTCs with a smaller nuclear area (CTC-Small), CTCs with low expression of epithelial marker cytokeratin (CTC-LowCK) and CTCs undergoing apoptosis and therefore releasing cell free DNA...

The detection of plasma cell–free tumor DNA (ctDNA) is prognostic in colorectal cancer (CRC) and has potential for early prediction of disease recurrence. In clinical routine, ctDNA-based diagnostics are limited by the low concentration of ctDNA and error rates of standard next-generation sequencing (NGS) approaches. We evaluated the potential to increase the stability and yield of plasma cell–free DNA (cfDNA) for routine diagnostic purposes using different blood collection tubes and various manual or automated cfDNA extraction protocols. Sensitivity for low-level ctDNA was measured in KRAS-mutant cfDNA using an error-reduced NGS procedure. To test the applicability of rapid evaluation of ctDNA persistence in clinical routine, we prospectively analyzed postoperative samples of 67 CRC (stage II) patients. ctDNA detection was linear between 0.0045 and 45%, with high sensitivity (94%) and specificity (100%) for mutations at 0.1% VAF. The stability and yield of cfDNA were superior when using Streck BCT tubes and a protocol by Zymo Research. Sensitivity for ctDNA increased 1.5-fold by the integration of variant reads from triplicate PCRs and with PCR template concentration. In clinical samples, ctDNA persistence was found in ∼9% of samples, drawn 2 weeks after surgery. Moreover, in a retrospective analysis of 14 CRC patients with relapse during adjuvant therapy, we successfully detected ctDNA (median 0.38% VAF; range 0.18–5.04% VAF) in 92.85% of patients significantly prior (median 112 days) to imaging-based surveillance. Using optimized pre-analytical conditions, the detection of postoperative ctDNA is feasible with excellent sensitivity and allows the prediction of CRC recurrence in routine oncology testing.

Tesis por compendio / [ES] El cáncer constituye la segunda causa de muerte en España. El tromboembolismo venoso (TEV), una complicación del cáncer, conlleva gran gasto del presupuesto sanitario y representa la segunda causa de muerte en estos pacientes. Sin embargo, las herramientas actuales disponibles para la identificación de pacientes oncológicos con elevado riesgo trombótico son limitadas. Adicionalmente, no existen métodos simples, mínimamente invasivos y económicos de diagnóstico de cáncer vesical. Por este motivo, se utilizan técnicas dañinas como la tomografía computarizada la cual implica una elevada dosis de exposición a radiación y procedimientos invasivos como la cistoscopia. Además, un estado hipercoagulable parece tener una relación directa con una mayor carga tumoral y un peor pronóstico. El objetivo principal de la presente Tesis Doctoral es explorar la utilidad clínica de nuevos métodos diagnósticos y pronósticos para el cáncer y sus complicaciones trombóticas. En la primera parte de la Tesis, nos hemos centrado en el papel de miRNAs en orina como biomarcadores de cáncer vesical. Hemos identificado al miR-29c-3p como el miRNA más estable por lo que fue utilizado como normalizador. Hemos ajustado un modelo de regresión logística ordinal para el diagnóstico y estratificación de cáncer vesical utilizando la expresión de miRNAs en orina de pacientes y controles. Este modelo incluyó la expresión de 7 miRNAs: miR-221-3p, miR-93-5p, miR-362-3p, miR-191-5p, miR-200c-3p, miR-192-5p y miR-21-5p. En la segunda parte de la Tesis, nos centramos en el estudio de nuevos biomarcadores para la trombosis asociada a cáncer. Analizamos el potencial predictivo de los miRNAs y de marcadores de activación de neutrófilos en pacientes con cáncer pancreático y pacientes con glioma y meningioma. En cáncer pancreático, obtuvimos un perfil de 7 miRNAs (miR-486-5p, miR-106b-5p, let-7i-5p, let-7g-5p, miR-144-3p, miR-19a-3p y miR-103a-3p) capaz de estimar el riesgo de TEV al diagnóstico con dianas incluidas en las rutas pancreatic cancer y complement and coagulation cascades. En el estudio de los marcadores de activación de neutrófilos, obtuvimos un nuevo modelo predictivo de TEV con la calprotectina como variable predictora. Respecto al estudio de trombosis asociada a cáncer en tumores intracraneales, en pacientes con glioma, ajustamos y validamos un modelo predictivo de embolismo pulmonar (EP) postquirúrgico con 6 miRNAs: miR-363-3p, miR-93-3p, miR-22-5p, miR-451a, miR-222-3p y miR-140-3p y otro con cfDNA y mieloperoxidasa como predictores. Además, hemos combinado los dos tipos de marcadores y hemos obtenido un modelo con mayor capacidad predictiva que incluye a miR-140-3p y a la mieloperoxidasa como predictores. En pacientes con meningioma, ajustamos y validamos un modelo predictivo de EP postquirúrgico con 6 miRNAs: miR-29a-3p, miR-660-5p, miR-331-3p, miR-126-5p, miR-23a-3p y miR-23b-3p. En conclusión, proponemos diferentes perfiles de biomarcadores para el diagnóstico de cáncer de vejiga y para la identificación de pacientes oncológicos con elevado riesgo de trombosis. / [CA] El càncer constitueix la segona causa de mort a Espanya. El tromboembolisme venós (TEV), una complicació del càncer, representa la segona causa de mort en aquests pacients i comporta una gran despesa sanitària. No obstant això, les eines disponibles actualment per a la identificació de pacients oncològics amb elevat risc trombòtic són limitades. Actualment, no existeixen mètodes diagnòstics per al càncer de bufeta senzills, mínimament invasius i econòmics. Per aquest motiu, s'utilitzen tècniques nocives com la tomografia computada la qual implica una elevada dosi d'exposició a radiació i procediments invasius com la cistoscòpia. A més, un estat hipercoagulable sembla tindre una relació directa amb una major càrrega tumoral i un pitjor pronòstic. L'objectiu principal de la present Tesi Doctoral fou explorar la utilitat clínica de nous mètodes diagnòstics i pronòstics per al càncer i les seues complicacions trombòtiques. En la primera part de la Tesi, ens hem centrat en el paper dels microRNAs (miRNAs) en orina com biomarcadors de càncer de bufeta. Hem identificat al miR-29c-3p com el miRNA més estable per la qual cosa va ser utilitzat com a normalitzador. Hem ajustat un model de regressió logística ordinal per al diagnòstic i estratificació de càncer de bufeta utilitzant l'expressió de miRNAs en orina de pacients i controls. Aquest model va incloure l'expressió de 7 miRNAs: miR-221-3p, miR-93-5p, miR-362-3p, miR-191-5p, miR-200c-3p, miR-192-5p i miR-21-5p. En la segona part de la Tesi, ens centràrem en l'estudi de nous biomarcadors per a la trombosi associada a càncer. Analitzàrem el potencial predictiu dels miRNAs i de marcadors d'activació de neutròfils en pacients amb càncer pancreàtic i pacients amb glioma i meningioma. En càncer pancreàtic, vàrem obtindre un perfil de 7 miRNAs (miR-486-5p, miR-106b-5p, let-7i-5p, let-7g-5p, miR-144-3p, miR-19a-3p i miR-103a-3p) capaç d'estimar el risc de TEV al diagnostic dels pacients els quals tenen dianes incloses en les rutes biològiques pancreatic cancer y complement and coagulation cascades. En el estudi dels marcadors d¿activació de neutròfils, vàrem obtenir un altre model predictiu de TEV amb la calprotectina com a variable predictora. Respecte a l'estudi de trombosi associada a càncer en tumors intracranials, en pacients amb glioma, ajustàrem i validàrem un model predictiu d'embolisme pulmonar (EP) incidental postquirúrgic amb 6 miRNAs (miR-363-3p, miR-93-3p, miR-22-5p, miR-451a, miR-222-3p i miR-140-3p) i un altre amb cfDNA i mieloperoxidasa com a predictors. A més, vàrem combinar els dos tipus de marcadors i vàrem obtenir un model amb major capacitat predictiva que inclou al miR-140-3p i la mieloperoxidasa com a predictors. En pacients amb meningioma, ajustàrem i validàrem un model predictiu d¿EP incidental postquirúrgic amb 6 miRNAs: miR-29a-3p, miR-660-5p, miR-331-3p, miR-126-5p, miR-23a-3p i miR-23b-3p. En conclusió, proposem diferents perfils de biomarcadors per al diagnòstic de càncer de bufeta i per a la identificació de pacients oncològics amb elevat risc de trombosi. / [EN] Cancer is the second leading cause of death in Spain. Collaterally, venous thromboembolism (VTE), as a complication of cancer, consumes a great part of its healthcare budget and, more importantly, it is the second cause of death in these patients. However, limited tools are available to identify high risk patients. Additionally, a simple, minimally invasive and economical diagnostic methods for bladder cancer are also lacking. For that aim, harmful techniques are used like CT scan with high radiation exposure and invasive procedures like cystoscopy. Moreover, a hypercoagulable state seems directly related to a large tumor burden and poor prognosis. The overall aim of this Doctoral Thesis is to explore the clinical utility of novel diagnostic and prognostic methods for cancer and its thrombotic complications. In the first part of this Doctoral Thesis, we focused on the role of urine miRNAs as bladder cancer biomarkers. We identified miR-29c-3p as the most stable miRNA and was therefore used as normalizer. We adjusted an ordinal logistic regression model for the diagnosis and stratification of BC using the urine miRNA expression levels of patients and controls. This model included 7 miRNAs: miR-221-3p, miR-93-5p, miR-362-3p, miR-191-5p, miR-200c-3p, miR-192-5p and miR-21-5p. In the second part of this Doctoral Thesis, we focused on the study of novel biomarkers for cancer-associated thrombosis. We analyzed the predictive potential of miRNAs and neutrophil activation markers of thrombotic events in patients with pancreatic cancer and patients with glioma and meningioma. In pancreatic cancer, we obtained a profile of 7 miRNAs (miR-486-5p, miR-106b-5p, let-7i-5p, let-7g-5p, miR-144-3p, miR-19a-3p and miR-103a-3p) able to estimate the risk of potential VTE at diagnosis with targets involved in the pancreatic cancer and complement and coagulation cascades pathways. In the study of the neutrophil activation makers, we obtained a new predictive model of VTE with calprotectin as predictor. Regarding the study of cancer-associated thrombosis in intracranial tumors, in glioma patients, we adjusted and validated a predictive model for post-surgical pulmonary embolism (PE) with 6 miRNAs: miR-363-3p, miR-93-3p, miR-22-5p, miR-451a, miR-222-3p and miR-140-3p, and another with cfDNA and myeloperoxidase as predictors. Furthermore, we combined both types of biomarkers and obtained an improved model using myeloperoxidase and miR-140-3p as predictors. In meningioma patients we fitted and validated a predictive model with 6 miRNAs: miR-29a-3p, miR-660-5p, miR-331-3p, miR-126-5p, miR-23a-3p and miR-23b-3p. In conclusion, we propose several profiles of biomarkers for the diagnosis of bladder cancer and for the identification of oncologic patients at high risk of suffering a thrombotic event. / Oto Martínez, AJ. (2022). Novel Diagnostic and Prognostic Methods for Cancer and Cancer Associated Thrombosis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181510 / Compendio

[ES] El cáncer de pulmón no microcítico (CPNM) representa un 80% de los casos de cáncer de pulmón, siendo uno de los tipos de cáncer más frecuentes y mortales. El tratamiento con inmunoterapia ha mejorado significativamente el pronóstico de los pacientes en las últimas décadas. No obstante, no todos los pacientes responden al tratamiento, por lo que se necesitan nuevos biomarcadores para predecir qué pacientes se podrían beneficiar de la inmunoterapia. El principal objetivo de esta tesis es obtener nuevos biomarcadores no invasivos para pacientes de CPNM avanzado tratados con inmunoterapia. Se incluyeron 52 pacientes de CPNM en estadios avanzados tratados con anti-PD1 o anti-PD1 en combinación con quimioterapia (anti-PD1+CT) en primera línea. Se analizaron biomarcadores no invasivos en muestras de sangre periférica, obtenidas antes del tratamiento y en la primera evaluación de respuesta. Los biomarcadores analizados en este estudio fueron: i) parámetros hematológicos e inmunológicos, ii) expresión de genes inmunoreguladores en células mononucleares de sangre periférica (PBMCs), iii) repertorio de TCR-ß y iv) genotipo de HLA. También se analizaron 13 controles sanos, y se observó que los pacientes con CPNM presentaron menores niveles de expresión de genes relacionados con las células T. Además, los pacientes con CPNM tenían menor número de clones de TCR-ß. Se analizó el valor predictivo y pronóstico de los potenciales biomarcadores independientemente en pacientes tratados con anti-PD1 o anti-PD+CT. Se encontraron biomarcadores con valor pronóstico, bien en las muestras basales o en las muestras tomadas en la primera evaluación de respuesta. Al utilizar muestras no invasivas, también se pudo estudiar la dinámica de los biomarcadores a lo largo del tratamiento, observando que algunos cambios ocurrían de manera diferencial en pacientes respondedores o dependiendo del tratamiento. La integración de los datos de las variables analizadas ha resultado en una propuesta de un modelo multivariante capaz de predecir qué pacientes tendrán mejor pronóstico, en el subgrupo de pacientes tratados con anti-PD1. Además, se crearon dos inmunogramas no invasivos incluyendo los ratios de los biomarcadores entre muestras tomadas antes y durante el tratamiento. Estos modelos se realizaron específicamente para cada tipo de tratamiento, y podrían ser útiles para monitorizar la respuesta durante el tratamiento. Este estudio resalta el papel de la biopsia líquida como una herramienta no invasiva para analizar biomarcadores de forma integral que permiten caracterizar y monitorizar el estatus inmune en pacientes con CPNM tratados con inmunoterapia o quimioinmunoterapia. / [CA] El càncer de pulmó no microcític (CPNM) representa un 80% dels casos de càncer de pulmó, i és un dels tipus de càncer més freqüents i mortals. El tractament amb immunoteràpia ha millorat significativament el pronòstic dels pacients en les últimes dècades. Malgrat això, no tots el pacients responen, per la qual cosa es necessiten nous biomarcadors per predir què pacients es beneficiaran del tractament amb immunoteràpia. El principal objectiu d'aquesta tesi és obtindre nous biomarcadors no invasius per a pacients de CPNM avançat tractats amb immunoteràpia. Es van incloure 52 pacients de CPNM en estadis avançats tractats amb anti-PD1 o anti-PD1 en combinació amb quimioteràpia (anti-PD1+CT) en primera línia. Es van analitzar biomarcadors no invasius a partir de mostres de sang perifèrica, que es van obtindre abans del tractament i en la primera avaluació de resposta. Els potencials biomarcadors analitzats en aquest estudi van ser: i) paràmetres hematològics i immunològics, ii) expressió de gens immunoreguladors en cèl·lules mononuclears de sang perifèrica (PBMCs), iii) repertori de TCR-ß i iv) genotip d'HLA. També es van analitzar 13 controls sans, i es va observar que els pacients amb CPNM presentaven menors nivells d'expressió de gens relacionats amb les cèl·lules T. A més, els pacients amb CPNM tenien menor riquesa de repertori de TCR-ß. S'han analitzat el valor predictiu i pronòstic dels potencials biomarcadors independentment en pacients tractats amb anti-PD1 o anti-PD1+CT. S'han trobat biomarcadors amb valor pronòstic, bé en les mostres basals o en les mostres preses en la primera avaluació de resposta. Com s'han utilitzat mostres no invasives, també s'ha pogut analitzar la dinàmica dels biomarcadores al llarg del tractament, i s'han observat canvis específics de pacients responedors o del tipus de tractament. La integració de les variables analitzades ha resultat en una proposta d'un model multivariant capaç de predir quins pacients amb CPNM tindran millor pronòstic, en el subgrup de pacients tractats amb anti-PD1. També s'han fet dos immunograms no invasius incloent els ràtios dels biomarcadors entre mostres preses abans i durant el tractament. Aquests models son específics per a cada tipus de tractament, i podrien ser útils per a monitorar la resposta durant el tractament. Aquest estudi ressalta el paper de la biòpsia líquida com una eina no invasiva per a analitzar biomarcadors de forma integral que permeten caracteritzar i monitorar l'estatus immune en pacients amb CPNM tractats amb immunoteràpia o quimioimmunoteràpia. / [EN] Non-Small Cell Lung Cancer (NSCLC) represents 80% of lung cancer cases, being one of the most frequent and death causing cancers. Recently developed treatments with immunotherapy have improved patient prognosis. However, a significant number of patients do not respond to treatment, thus there is an urgent need for biomarkers to predict which patients will benefit from immunotherapy. The main objective of this thesis was to obtain novel non-invasive biomarkers for advanced-stage NSCLC patients treated with immunotherapy. This study included 52 advanced-stage NSCLC patients treated with Anti-PD1 or Anti-PD1 in combination with chemotherapy (Anti-PD1+CT) in the first line setting. Non-invasive biomarkers were analysed using peripheral blood samples, which were obtained before first cycle and at first response assessment. The potential biomarkers analysed in this study were: i) haematological and immunological parameters, ii) immune-related gene expression analysed on Peripheral Blood Mononuclear Cells (PBMCs), iii) TCR-ß repertoire, and iv) HLA genotype. 13 healthy subjects were also included in this study. NSCLC patients presented lower T cell related gene expression levels than controls. Furthermore, cancer patients had a lower number of unique TCR-ß clones. We have assessed the predictive and prognostic value of the analysed variables independently on patients treated with anti-PD1 or anti-PD1+CT. We found prognostic biomarkers that could be useful to identify patients who benefit from treatment. Since we used non-invasive samples, we also observed differences in immune-related biomarkers at first response assessment in patients responding to treatment. In addition, biomarker dynamics were useful to identify changes occurring throughout treatment. The integration of data from the analysed variables has resulted in a proposal of a multivariate model capable of predicting patients with improved outcomes to treatment with anti PD1 therapy. Moreover, we have developed two non-invasive inmunograms including the ratios of on- and pre-treatment samples, which could be useful to monitor patients throughout treatment. Altogether, this study highlights the role of non-invasive biomarkers to characterize and monitor immune status in NSCLC patients treated with immunotherapy or chemoimmunotherapy. / This Thesis was supported by the following grants: Fundación Científica Asociación Española Contra el Cáncer. PRDVA18015MORE; Centro de Investigación Biomédica en Red Cáncer. Project B16/12/00350 e Instituto de Salud Carlos III: PI18/00266 / Moreno Manuel, A. (2024). Non-Invasive Immunogram. A Multidimensional Approach to Characterize and Monitor Immune Status in Non-Small Cell Lung Cancer [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204490