Determination of the spectral phenotype of urine cells - FTIR cytology in the diagnosis of bladder cancer

Rak pęcherza moczowego jest nowotworem złośliwym, charakteryzującym się bardzo wysokim prawdopodobieństwem nawrotu. Aktualne dostępne metody diagnostyczne są inwazyjne, kosztowne oraz niekomfortowe dla pacjenta. W niniejszej pracy przedstawiono spektroskopię całkowitego osłabionego odbicia w podczerwieni ATR FTIR jako potencjalną metodę diagnostyczną, która umożliwia klasyfikację pacjentów z podejrzeniem raka pęcherza moczowego. Wyniki zebranych widm oraz zaprezentowana metodyka ich analizy wskazują na rozdział próbek osadu moczowego na cztery grupy diagnostyczne pacjentów: zdrowych, w grupie ryzyka, z nowo zdiagnozowanym guzem oraz z nawrotem raka pęcherza moczowego. Analizy dokonano w oparciu o zmiany spektralne w zakresie lipidów, białek, DNA oraz cukrów, a następnie dokonano analizę głównych składowych PCA. Wyniki wskazują na najlepsze rozróżnienie spektralne w zakresie cukrów, sugerując, że spektroskopia ATR FTIR może być pomocnym narzędziem diagnostycznym. Niniejsza praca licencjacka powstała dzięki wsparciu Narodowego Centrum Nauki (grant Preludium 16 przyznanym Monice Kujdowicz, no. UMO-2018/31/N/NZ4/00911).Bladder cancer is a malignant tumor characterized by a very high probability of recurrence. Current available diagnostic methods are invasive, expensive and uncomfortable for patients. This work presents the spectroscopy of total attenuated infrared reflection ATR FTIR as a potential diagnostic method that allows classification of patients with suspected bladder cancer. The results of the collected spectra and the presented analysis methodology indicate segregation of urinary sediment samples into four diagnostic groups of patients: healthy, risk group, with new diagnosed tumor and with recurrent bladder cancer. The analysis was based on spectral changes in the area of lipids, proteins, DNA and sugars, then there were analyzed the main components of PCA. The results indicate the best spectral distinction in the sugar range, suggesting that ATR FTIR spectroscopy may be a helpful diagnostic tool. This work was founded with the support of the National Science Centre in Poland (Preludium grant 16 – Monika Kujdowicz, no. UMO-2018/31/N/NZ4/00911)

FTIR imaging of bladder cancer

Współczesne postępowanie w diagnostyce nowotworowej jest kosztownym, długotrwałym i niekomfortowym dla pacjenta procesem. Zaistniała więc konieczność poszukiwania metod alternatywnych. W niniejszej pracy przedstawiono obrazowanie w podczerwieni z transformatą Fouriera jako obiecującą metodę, która bez zastosowania dodatkowych znaczników może wspierać współczesną diagnostykę raka urotelialnego pęcherza moczowego. Analiza chemometryczna umożliwiła spektroskopową klasyfikację struktur ściany pęcherza w odniesieniu do zmian morfologicznych widocznych w barwieniu histologicznym. Zastosowana metodyka wraz z nienadzorowaną hierarchiczną analizą skupień UHCA pozwoliła na określenie profilu spektralnego wraz z przestrzenną dystrybucją komponentów biochemicznych tkanek pęcherza moczowego takich jak białka, kwasy nukleinowe i cukry. Ich obecność jest nierozpoznawalna w klasycznie stosowanym barwieniu HE oraz wymaga kosztownego i czasochłonnego barwienia immunohistochemicznego. Wyniki pracy wskazują, że różnicowanie skrawków pęcherza wynika ze zmian spektralnych w zakresie struktury drugorzędowej białek. Wykazano także zmiany w zawartości glikogenu, kolagenu, kwasów nukleinowych oraz innych węglowodanów związanych z białkami. Ponadto dzięki temu odróżniono zdrowe tkanki od tych z rakiem naciekającym mięśniówkę pęcherza moczowego. Co więcej, wykazano brak znaczącego wpływu na wyniki obrazowania w trybie wysokorozdzielczym w porównaniu do standardowego. W pracy magisterskiej wskazano zatem, że obrazowanie FTIR może być potencjalnym narzędziem wspierającym diagnostykę raka pęcherza moczowego.Contemporary cancer diagnostics is a costly, long-lasting and uncomfortable process for the patient. Therefore, it was necessary to look for alternative methods. In this paper, infrared imaging with the Fourier transform is presented as a promising method that, without the use of additional markers, can support the modern diagnosis of urothelial bladder cancer.The chemometric analysis enabled the spectroscopic classification of the bladder wall structures in relation to the morphological changes visible in the histological staining. The methodology used together with the chemometric analysis of Unsupervised Hierarchical Cluster Analysis (UHCA) allowed to determine the spectral profile along with the spatial distribution of biochemical components of the bladder tissues, such as proteins, nucleic acids and sugars. Their presence is unrecognizable in the classically used HE staining and requires costly and time-consuming immunohistochemical staining. The results of the study show that the differentiation of bladder sections results from spectral changes in the secondary structure of proteins. Changes in the content of glycogen, collagen, nucleic acids and other protein-related carbohydrates have also been shown. In addition, it distinguished healthy tissues from those with cancer that infiltrates the muscles of the bladder. Moreover, it was shown that there was no significant effect on the results of high-resolution imaging compared to the standard mode.Therefore, the thesis indicated that FTIR imaging may be a potential tool supporting the diagnosis of bladder cancer

FTIR Spectroscopic Imaging Supports Urine Cytology for Classification of Low- and High-Grade Bladder Carcinoma

Bladder urothelial carcinoma (BC) is a common, recurrent, life-threatening, and unpredictable disease which is difficult to diagnose. These features make it one of the costliest malignancies. Although many possible diagnostic methods are available, molecular heterogeneity and difficulties in cytological or histological examination induce an urgent need to improve diagnostic techniques. Herein, we applied Fourier transform infrared spectroscopy in imaging mode (FTIR) to investigate patients’ cytology samples assigned to normal (N), low-grade (LG) and high-grade (HG) BC. With unsupervised hierarchical cluster analysis (UHCA) and hematoxylin-eosin (HE) staining, we observed a correlation between N cell types and morphology. High-glycogen superficial (umbrella) and low-glycogen piriform urothelial cells, both with normal morphology, were observed. Based on the spectra derived from UHCA, principal component analysis (PCA) and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) were performed, indicating a variation of protein content between the patient groups. Moreover, BC spectral cytology identified a low number of high-glycogen cells for which a shift of the carbohydrate/phosphate bands was also observed. Despite high cellular heterogeneity, PLS-DA was able to classify the spectra obtained. The voided urine FTIR cytology is one of the options that might be helpful in BC diagnosis, as high sensitivity and specificity up to 97% were determined