Weber Christina Maria
Dipl.-Ing.
Forum Technik und Gesellschaft Förderpreisträger 2010
Kategorie Master-/Diplomarbeiten
2. Preis
Titel
'Sniffing out cancer' - Evaluierung von GC-MS und eNose zur Blasenkrebsfrüherkennung
Kurzfassung
Hunde besitzen die Fähigkeit zu erkennen, ob ein Patient an einer bestimmten Krankheit leidet, indem sie die im Urin vorhandenen flüchtigen Kohlenwasserstoffe aufspüren. Diese Vorgehensweise wurde bereits mit Erfolg getestet um Blasenkrebs zu erkennen, insbesondere die häufigste Form, das Transitionalzellkarzinom (TCC). Da die Sterberate von TCC in engem Zusammenhang mit dessen Krankheitsstadium steht, erhöht eine Früherkennung der Krebserkrankung die Heilungschancen des Patienten erheblich. Zudem fordert eine überaus hohe Rückfallsrate dieser Krebsform lebenslange Kontrollen. Routinemäßiges “Screening” von Risikopersonen ist daher unumgänglich, um die Aussichten auf Früherkennung zu verbessern. Traditionelle Diagnoseverfahren sind jedoch zu kostspielig und zu zeitaufwändig, und daher für “Massenscreening” nicht geeignet. Auf diesem Wissen basierend wurde ein Projekt entworfen, das die analytischen Techniken Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) und Elektronische Nase (eNose) mit chemometrischen Methoden verbindet, um einen nicht invasiven Diagnosetest zur frühzeitigen Erkennung von Blasenkrebs zu entwickeln. Somit wurde zum ersten Mal Mustererkennung auf GC-MS Daten angewendet um Blasenkrebs zu erkennen. Der Gasraum von Urinproben sowohl kranker als auch gesunder Freiwilliger wurde mit den beiden analytischen Instrumenten untersucht. Um das Potential von GC-MS und eNose als diagnostische Geräte zu evaluieren, wurden die erworbenen Daten mittels PLS-DA klassifiziert. Zusätzlich wurden die aussagekräftigsten Merkmale anhand eines statistischen Verfahrens (T-Test) identifiziert. Der implementierte Klassifizierer wurde mit einem Datensatz von annähernd 90 Urinproben, bereitgestellt von Dermatologin Dr. Carolyn Willis (Amersham Hospital, UK), evaluiert. Unter Verwendung von leave-one-out cross-validation wurden mittels PLS-DA 64,61% aller mit eNose analysierten Proben korrekt diagnostiziert. Mit Hilfe der GC-MS-Analyse wurden sogar 84,09% der Proben richtig klassifiziert. Diese Erfolgsrate setzt sich aus 86,7% richtig erkannter positiver und 82,8% richtig erkannter negativer Proben zusammen. Diese Ergebnisse sind vielversprechend und bilden die Basis für ein neues diagnostisches Verfahren. Stichwörter: Blasenkrebs, Gaschromatographie- Massenspektrometrie, Elektronische Nase, Mustererkennung, Diagnose.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Transitional cell carcinoma (TCC) of the bladder is the most common form of bladder cancer and simultaneously the second most common malignant tumour of the genitourinary tract. As with many cancers, untreated TCC can be fatal, so early detection is vitally important. Furthermore statistics confirm that between 50 and 80% of treated individuals undergo a recurrence. Due to this high chance of recurrence, those patients diagnosed with bladder cancer require long-term, probably life-long surveillance. The costs per patient from the day of diagnosis to death are the highest compared to all other cancers. Cystoscopy with biopsy is the “gold standard” for bladder cancer detection, but it is expensive, inconvenient and invasive. Urine cytology is a more acceptable alternative, and the most widely applied of the non-invasive procedures available. Although urine cytology has a high specificity for bladder cancer (90-98%), its sensitivity is low (20-50%), especially for low-grade tumours, since those shed proportionally few cells into the urine. Furthermore, the results take several days, requiring an expert to interpret the test. Utilisation of molecular biomarkers for bladder cancer is a tantalising prospect for making diagnosis more sensitive, rapid and convenient, provided such biomarkers can be discovered in urine and readily identified in a clinical setting. Two FDA approved protein markers, nuclear matrix protein 22 (NMP22) and bladder tumour antigen (BTAstat) have proven effective in this context. They are more sensitive than urine cytology, having achieved reported sensitivities of 50-85% and 50-70%, respectively. However, their specificities, in the region of 60-70%, are inferior to that of urine cytology. From this follows, that already available diagnostic methods are not suitable for a reliable, fast, inexpensive and non-invasive screening technique that allows early cancer detection. The aim of this work was therefore to invent a new screening technique that serves as an inexpensive, simple and non-invasive early diagnostic test to detect the disease in its early stages. Recently, it has been suggested that volatile organic compounds (VOCs) present in the headspace of urine samples may be used as biomarkers. In particular, a previous study showed that dogs could be trained to identify bladder cancer sufferers from the odour of their urine. The results of this proof of principle study suggest that one or more VOCs present within the urine headspace are indicative of bladder cancer and have the potential to be used as diagnostic biomarkers. As it is not realistic to use dogs in a clinical setting, this work substituted the dogs with more practical and objective analytical techniques. Furthermore pattern recognition was used to extract a simple diagnosis (cancerous or noncancerous) from the acquired data. This work has made progress towards a new instrumental method of bladder cancer detection based on volatile biomarkers. The obtained results confirm that there is a clear correlation between urine and the cancer status of the respective samples. This relationship shows promise as the basis of a new diagnostic technique for bladder cancer.
Kategorie Master-/Diplomarbeiten
2. Preis
Titel
'Sniffing out cancer' - Evaluierung von GC-MS und eNose zur Blasenkrebsfrüherkennung
Kurzfassung
Hunde besitzen die Fähigkeit zu erkennen, ob ein Patient an einer bestimmten Krankheit leidet, indem sie die im Urin vorhandenen flüchtigen Kohlenwasserstoffe aufspüren. Diese Vorgehensweise wurde bereits mit Erfolg getestet um Blasenkrebs zu erkennen, insbesondere die häufigste Form, das Transitionalzellkarzinom (TCC). Da die Sterberate von TCC in engem Zusammenhang mit dessen Krankheitsstadium steht, erhöht eine Früherkennung der Krebserkrankung die Heilungschancen des Patienten erheblich. Zudem fordert eine überaus hohe Rückfallsrate dieser Krebsform lebenslange Kontrollen. Routinemäßiges “Screening” von Risikopersonen ist daher unumgänglich, um die Aussichten auf Früherkennung zu verbessern. Traditionelle Diagnoseverfahren sind jedoch zu kostspielig und zu zeitaufwändig, und daher für “Massenscreening” nicht geeignet. Auf diesem Wissen basierend wurde ein Projekt entworfen, das die analytischen Techniken Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) und Elektronische Nase (eNose) mit chemometrischen Methoden verbindet, um einen nicht invasiven Diagnosetest zur frühzeitigen Erkennung von Blasenkrebs zu entwickeln. Somit wurde zum ersten Mal Mustererkennung auf GC-MS Daten angewendet um Blasenkrebs zu erkennen. Der Gasraum von Urinproben sowohl kranker als auch gesunder Freiwilliger wurde mit den beiden analytischen Instrumenten untersucht. Um das Potential von GC-MS und eNose als diagnostische Geräte zu evaluieren, wurden die erworbenen Daten mittels PLS-DA klassifiziert. Zusätzlich wurden die aussagekräftigsten Merkmale anhand eines statistischen Verfahrens (T-Test) identifiziert. Der implementierte Klassifizierer wurde mit einem Datensatz von annähernd 90 Urinproben, bereitgestellt von Dermatologin Dr. Carolyn Willis (Amersham Hospital, UK), evaluiert. Unter Verwendung von leave-one-out cross-validation wurden mittels PLS-DA 64,61% aller mit eNose analysierten Proben korrekt diagnostiziert. Mit Hilfe der GC-MS-Analyse wurden sogar 84,09% der Proben richtig klassifiziert. Diese Erfolgsrate setzt sich aus 86,7% richtig erkannter positiver und 82,8% richtig erkannter negativer Proben zusammen. Diese Ergebnisse sind vielversprechend und bilden die Basis für ein neues diagnostisches Verfahren. Stichwörter: Blasenkrebs, Gaschromatographie- Massenspektrometrie, Elektronische Nase, Mustererkennung, Diagnose.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Transitional cell carcinoma (TCC) of the bladder is the most common form of bladder cancer and simultaneously the second most common malignant tumour of the genitourinary tract. As with many cancers, untreated TCC can be fatal, so early detection is vitally important. Furthermore statistics confirm that between 50 and 80% of treated individuals undergo a recurrence. Due to this high chance of recurrence, those patients diagnosed with bladder cancer require long-term, probably life-long surveillance. The costs per patient from the day of diagnosis to death are the highest compared to all other cancers. Cystoscopy with biopsy is the “gold standard” for bladder cancer detection, but it is expensive, inconvenient and invasive. Urine cytology is a more acceptable alternative, and the most widely applied of the non-invasive procedures available. Although urine cytology has a high specificity for bladder cancer (90-98%), its sensitivity is low (20-50%), especially for low-grade tumours, since those shed proportionally few cells into the urine. Furthermore, the results take several days, requiring an expert to interpret the test. Utilisation of molecular biomarkers for bladder cancer is a tantalising prospect for making diagnosis more sensitive, rapid and convenient, provided such biomarkers can be discovered in urine and readily identified in a clinical setting. Two FDA approved protein markers, nuclear matrix protein 22 (NMP22) and bladder tumour antigen (BTAstat) have proven effective in this context. They are more sensitive than urine cytology, having achieved reported sensitivities of 50-85% and 50-70%, respectively. However, their specificities, in the region of 60-70%, are inferior to that of urine cytology. From this follows, that already available diagnostic methods are not suitable for a reliable, fast, inexpensive and non-invasive screening technique that allows early cancer detection. The aim of this work was therefore to invent a new screening technique that serves as an inexpensive, simple and non-invasive early diagnostic test to detect the disease in its early stages. Recently, it has been suggested that volatile organic compounds (VOCs) present in the headspace of urine samples may be used as biomarkers. In particular, a previous study showed that dogs could be trained to identify bladder cancer sufferers from the odour of their urine. The results of this proof of principle study suggest that one or more VOCs present within the urine headspace are indicative of bladder cancer and have the potential to be used as diagnostic biomarkers. As it is not realistic to use dogs in a clinical setting, this work substituted the dogs with more practical and objective analytical techniques. Furthermore pattern recognition was used to extract a simple diagnosis (cancerous or noncancerous) from the acquired data. This work has made progress towards a new instrumental method of bladder cancer detection based on volatile biomarkers. The obtained results confirm that there is a clear correlation between urine and the cancer status of the respective samples. This relationship shows promise as the basis of a new diagnostic technique for bladder cancer.