Development of microfluidic nanobiosensors for early diagnosis of acute myeloid leukemia and monitoring of minimal residual disease

Abstract

A leucemia mielóide aguda (LMA) é a forma mais comum de leucemia em adultos e, apesar de ter resultados favoráveis em doentes mais jovens, tem um mau prognóstico nos idosos. Após o tratamento com quimioterapia, os doentes que atingem clinicamente uma remissão completa (RC) podem recair devido à persistência de doença residual mínima (DRM), com consequências fatais. Isto deve-se essencialmente ao facto da detecção precoce da DRM ser limitada pela baixa sensibilidade das tecnologias de diagnóstico actuais, baseadas principalmente em citometria de fluxo e em biópsia da medula óssea, e agravada pelo facto de ser altamente invasivas, dolorosas e dispendiosas. Um diagnóstico preciso e precoce da DRM permitiria aplicação de uma terapia adequada, melhorando o prognóstico dos doentes. Para tal, foram desenvolvidos novos sistemas de microfluídica para o isolamento e concentração de blastos leucémicos do sangue periférico de doentes com LMA, obtendo-se uma eficiência de captura de aproximadamente 55 %. Uma vez isoladas, as células foram caracterizadas in situ para marcadores aberrantes, CD7 e CD56, através de uma análise fenotípica efectuada directamente no dispositivo. Posteriormente, next-generation sequencing (NGS) foi utilizada para estudar as alterações genéticas nos blastos, utilizando um painel específico e indicativo da recorrência e progressão da doença. Foi desenvolvido um painel com os genes mais relevantes e uma selecção dos mesmos foi incorporada em novos sistemas de detecção baseados em espectroscopia surface-enhanced Raman scattering (SERS). Para este efeito, foram concebidos, fabricados e optimizados novos substratos SERS, de modo a obter uma deteção múltipla das mutações de LMA selecionadas com elevada sensibilidade, constituindo uma ferramenta poderosa para a detecção precoce de MRD. Além disso, para compreender melhor a doença da LMA e a sua relação com a autofagia, foi desenhado e testado em amostras clínicas um novo painel para NGS composto por genes específicos da doença LMA e do seu prognóstico, bem como da autofagia. Os resultados mostraram que alteração na expressão dos genes de autofagia está correlacionado com um mau prognóstico, demonstrando a relevância da autofagia em LMA e o potencial impacto da utilização de genes de autofagia como indicadores de prognóstico. Em conclusão, esta tese fornece um novo conjunto de ferramentas específicas e sensíveis para contribuir para o diagnóstico precoce, preciso e não invasivo da DRM em doentes com LMA.

Acute myeloid leukemia (AML) is the most common form of leukemia in adults and, despite having favourable outcomes for younger patients, has a very poor prognosis in the elderly. After treatment with chemotherapy, patients that clinically achieve complete remission (CR) can relapse through the persistence of minimal residual disease (MRD), having fatal consequences. This is mainly due to the fact that early detection of MRD is limited by the low sensitivity of current diagnostic technologies, based primarily on flow cytometry and bone marrow biopsy, and aggravated by being highly invasive, painful and costly. An accurate, early and non-invasive diagnosis of MRD would allow the selection and application of appropriate therapy, improving the prognosis of patients. To this end, new microfluidic systems have been developed for the isolation and concentration of leukemic blasts from the peripheral blood of AML patients, obtaining a capture efficiency of approximately 55 %. Once isolated, cells were profiled in situ for aberrant markers, CD7 and CD56, through a phenotypic analysis performed directly within the device. Subsequently, next-generation sequencing (NGS) was used to study genetic changes in blasts, using a specific panel indicative of disease recurrence and progression. A panel of the most relevant genes was designed, and a selection of those incorporated into new detection systems based on surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy. For this purpose, novel SERS substrates were designed, manufactured and optimized, to achieve multiplex detection of selected AML mutations with high sensitivity, constituting a powerful tool for the early detection of MRD. Furthermore, to better understand AML disease and its relation with autophagy, a new NGS panel composed of genes specific for AML disease and its prognosis, as well as for autophagy was designed and tested in clinical samples. Results showed that the alteration of autophagy genes expression is correlated with poor prognosis, demonstrating the relevance of autophagy in AML, and the potential impact of using autophagy genes as prognostic indicators in AML. In conclusion, this thesis delivers a new set of specific and sensitive tools to contribute towards the early, accurate and non-invasive diagnosis of MRD in AML patients.