Extracellular vesicle glycosylations as novel biomarkers of urological cancers: Nanoparticle-aided glycovariant assay to detect vesicles for the early detection of cancer

Abstract

Prostate and bladder cancer are common urological malignancies that are associated with major causes of morbidity and mortality worldwide. Current diagnosis options for prostate cancer (PCa) and bladder cancer (BlCa) suffer from a lack of sensitivity and specificity that lead to either over-diagnosis or missed cancers. Moreover, current methods are invasive and painful for patients. Therefore, there is an urgent need for the development of sensitive and specific assays involving non-invasive techniques.

The primary aim of this doctoral thesis was to explore possibilities to develop a simple assay for the detection of cancer-associated extracellular vesicles (EVs) directly from human urine without any extensive preprocessing. This project focused on the development of a europium chelate-doped nanoparticles (NPs)-aided immunocapture approach that uses protein and glycan-based markers and their potential combinations for the detection of urinary EVs of urological cancer patients. Several cancer-associated integrin markers in combination with a panel of lectin library were tested to find our best functional biomarkers and their corresponding potential assays. Then the functional biomarker combinations were characterized and validated using EVs-derived from cancer cell lines as well as urine of PCa and BlCa patients. The best biomarker assay, combining with integrin and lectin, ITGA3- UEA can significantly discriminate BlCa from PCa, benign, and healthy controls.

The results of this project emphasize the importance of systemically screening of lectin library in combination with different cancer-associated integrin markers for the advancement of an immunocapturing glycovariant assay to detect urinary EVs for the diagnosis of urological cancers from unprocessed samples. This assay concept could be used as an open platform for exploring glyco-isoform from the surface of EVs for novel biomarker discovery.

<b>Solunulkoisten vesikkeleiden glykosylaatiot urologisten syöpien uusina biomarkkereina</b>

Eturauhas- ja virtsarakkosyöpä ovat yleisiä urologisia sairauksia, jotka aiheuttavat maailmanlaajuisesti merkittävää sairastuvuutta ja kuolleisuutta. Eturauhassyövän (PCa) ja virtsarakkosyövän (BlCa) nykyiset diagnosointivaihtoehdot kärsivät sekä herkkyyden että spesifisyyden puutteesta, mikä johtaa joko ylidiagnosointiin tai syöpien jäämiseen huomaamatta. Nykyiset menetelmät ovat invasiivisia ja kivuliaita potilaille, minkä takia on kiireellisesti kehitettävä herkkiä ja spesifisiä määrityksiä, joissa käytetään ei-invasiivisia tekniikoita.

Tämän väitöskirjan ensisijaisena tavoitteena oli tutkia mahdollisuuksia kehittää yksinkertainen immunomääritys syöpään liittyvien solunulkoisten vesikkeleiden (EV) havaitsemiseksi suoraan ihmisen virtsasta ilman mitään esikäsittelyä. Työssä keskityttiin kehittämään europiumkelaatteja sisältävien nanopartikkeleiden (NP:t) avustamaa immunokaappausmenetelmää, jossa hyödynnetään proteiini- ja glykaanipohjaisia biomarkkereita ja niiden mahdollisia yhdistelmiä syöpäpotilaiden virtsan EV:iden havaitsemiseksi. Syöpään liittyvien integriinimarkkereiden sekä lektiinikirjaston paneelin yhdistelmiä testattiin toimivien biomarkkereiden sekä niitä vastaavien mahdollisten määritysten löytämiseksi. Tämän jälkeen toimivien biomarkkereiden yhdistelmät karakterisoitiin ja validoitiin käyttämällä syöpäsolulinjoista sekä PCa- ja BlCa-potilaiden virtsasta peräisin olevia EV:itä. Paras määritys, joka yhdisti integriini ITGA3:n ja lektiini UEA:n, kykeni luotettavasti erottamaan BlCa:n PCa:sta, sekä hyvänlaatuisista- ja terveistä kontrolleista.

Tämän työn tulokset korostavat lektiinikirjaston ja syöpään liittyvien integriinimarkkereiden yhdistelmien systeemisen seulonnan tärkeyttä, erityisesti ajatellen immunokaappaukseen perustuvaa glykovariantti-määritystä virtsan EV:iden havaitsemiseksi ja urologisten syöpien diagnosoimiseksi käsittelemättömistä näytteistä. Kyseistä määrityskonseptia voisi käyttää avoimena alustana glykoisoformien tutkimiseen EV:iden pinnalta uusien biomarkkerien löytämiseksi.