Novel Spectrometric Methods in Detection of Prostate Cancer and Urinary Tract Infection

Abstract

Eturauhassyöpä on suomalaisten miesten yleisin syöpä ja tärkeä syöpäkuolleisuuden aiheuttaja. Suuri joukko kasvaimista on indolentteja muotoja, jotka eivät edes aiheuta oireita potilaan elinaikana. Toisaalta on olemassa hyvin aggressiivisista, henkeä uhkaavista syövistä koostuva alaryhmä. Prostataspesifinen antigeeni on herkkä testi havaitsemaan eturauhassyövän, mutta se ei kykene erottamaan aggressiivisia ja indolentteja syöpiä, mikä johtaa tarpeettomaan koepalojen ottamiseen ja ylidiagnostiikkaan. Näin ollen eturauhassyövän diagnostiikassa on olemassa tarve uusille työkaluille.

Virtsatieinfektio on yleinen tulehdussairaus, johon liittyy merkittäviä kuluja ja sairastuvuutta. Sen diagnostiikka perustuu aikaa vievään bakteeriviljelyyn. Pikadiagnostiikassa ainoa laajasti käytetty menetelmä on virtsan liuskatesti, jonka suorituskyky on puutteellinen. Pikatesti, joka kertoisi taudinaiheuttajan, parantaisi virtsatieinfektioiden hoitoa. Polyamiinit ovat solujen ja bakteerien kasvulle välttämättömiä molekyylejä. Niiden roolia syövissä on tutkittu laajasti ja kohonneita pitoisuuksia on todettu elimistön nestetiloissa, mikä mahdollistaa niiden käyttämisen syöpämerkkiaineina. Nestekromatografia- massaspektrometria (LC-MS) on herkkä ja tarkka menetelmä polyamiinipitoisuuksien määrittämiseen mutta, sen soveltuvuus kliiniseen käyttöön on huono.

Koirakokeet ovat osoittaneet, että on mahdollista havaita syöpä hajuaistiin perustuen. Elektroninen nenä (eNose) on nisäkkään hajuaistin keinotekoinen vastine. Sen on osoitettu kykenevän havaitsemaan syöpiä sekä virtsatieinfektion.

Tämän väitöstutkimuksen tavoitteena oli osoittaa eNosen kyky havaita eturauhassyöpä solumallissa (Tutkimus I), sekä virtsasta (Tutkimus III). Lisäksi kehitimme uuden menetelmän polyamiinien mittaamiseksi virtsasta (Tutkimus II) ja tutkimme eNosen kykyä havaita yleisimpiä virtsatieinfektioiden aiheuttajia (Tutkimus IV).

Tutkimuksessa I vertasimme eturauhassyöpälinjaa LNCaPia ja hyvänlaatuisen liikakasvun mallia EP-156T. eNose erotti nämä solut toisistaan ja LNCaP näytti muuttavan elatusnesteen hajua. Tutkimuksessa II kehitimme uuden LC-MS menetelmän 14 polyamiinin samanaikaiseen havaitsemiseen terveiltä ja eturauhassyöpää sairastavilta potilailta. Löysimme kaksi molekyyliä, diasetyylikadaveriinin ja diasetyyliputreskiinin, joiden olemassaoloa ihmisen virtsassa ei ole aiemmin dokumentoitu. Julkaisemattomassa tutkimuksessa olemme todenneet eNosen kyvyn havaita polyamiineja vedestä millimolaarisina konsentraatioina. Tutkimuksessa III analysoimme 50 eturauhassyöpää ja 15 prostatan hyvänlaatuista hyperplasiaa sairastavan henkilön virtsanäytteen eNosella. eNosen erotuskyky oli vertailukelpoinen kirjallisuudessa esitettyihin käytössä oleviin syöpämerkkiaineisiin. Tutkimuksessa IV osoitimme eNosen kyvyn erottaa neljä yleisintä virtsatieinfektion aiheuttajaa.

Tuloksemme osoittavat eNosen kyvyn havaita eturauhassyöpä virtsasta. Polyamiinit osallistunevat syövän hajun muodostumiseen, sillä eNose havaitsee polyamiineja vesiliuoksista samanlaisina pitoisuuksina kuin niitä esiintyy LC-MS:llä mitattuna eturauhassyöpäpotilaiden virtsassa. eNose erottelee bakteereita korkealla herkkyydellä ja tarkkuudella. Tällä perusteella on mahdollista, että eNose kykenee havaitsemaan virtsatieinfektion suoraan virtsasta. Nämä tulokset vaativat lisätutkimuksia eNosesta niin syöpien kuin infektioiden toteamisessa.

Prostate cancer (PCa) is globally the second most common cancer in men and an important source of cancer mortality. Large number of them are indolent diseases that do not even cause symptoms in patient’s lifetime, while there is a significant proportion of highly aggressive life-threatening cancers. Prostate specific antigen (PSA) - although sensitive in detection of PCa - is unable to effectively discriminate between these two groups, which leads to unnecessary biopsies and overdiagnosis. Therefore, novel methods for the diagnosis of PCa are needed.

Urinary tract infection (UTI) is a common infectious disease associated with significant costs and morbidity. Its diagnosis relies on time-consuming bacterial culture. Dipstick urinalysis is the only widespread on-site method for the diagnosis of UTI. Its performance is lacking. A rapid on-site tool able to accurately detect bacterial pathogen of would improve treatment of UTI.

Polyamines are essential molecules for growth of bacteria and eukaryotic cells. Their role in cancer is well-documented. Elevated levels in biofluids are associated with cancer, making them potential tumor markers. Liquid chromatography – mass spectrometry (LC-MS) is a highly sensitive and accurate method for the quantification of polyamines in biofluids, but it is not feasible for clinical use. Canine studies have shown the feasibility of olfactory cancer detection. Electronic nose (eNose) is the artificial counterpart of mammalian olfaction. It allows the use of olfactory information in a clinically applicable form. Its effectiveness in both cancer and UTI detection has been successfully demonstrated.

The aim of this thesis was to test eNose’s ability to detect PCa in vitro (Study I) and in vivo (Study III). We also developed a new LC-MS method for detection of polyamines from urine (Study II), and attempted to discriminate common UTI pathogens with eNose (Study IV).

In Study I we compared a PCa cell line LNCaP to a benign prostatic hyperplasia (BPH) cell line EP-156T with an eNose. The eNose discriminated these cell lines, and LNCaP seemed to modify the smell of its medium. In Study II we developed a new LC-MS method for the simultaneous detection of 14 polyamines from the urine of both healthy individuals and PCa patients. We discovered two polyamines - diacetylputrescine and diacetylcadaverine - which have not been previously documented in human urine. In an unpublished research we showed eNose’s ability to detect polyamines in mM concentrations. In Study III we analyzed the urine samples of 50 PCa patients and 15 BPH patients. The eNose discriminated between these groups with a performance equaling existing PCa markers. In Study IV we demonstrated eNose’s ability to discriminate between four common bacterial pathogens of UTI with high accuracy.

Together these results suggest that an eNose is able to detect PCa from urine. Polyamines may contribute to smell of cancer, since the eNose detected similar concentrations of polyamines in both aqueous solutions and in the urine of cancer patients. The eNose also discriminated between bacterial pathogens with high accuracy, which suggests that it may be able to detect UTI from urine. These results call for further studies of eNose’s capabilities regarding the detection of cancer from urine as well as detection of infections.