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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-6437-3381
Document type: Tese
Access type: Acesso Embargado
Embargo Date: 2026-09-27
Title: Plataformas não-invasivas metabolômica e biofotônica para detecção da sepse neonatal baseadas em biomarcadores urinários de recém-nascidos pré-termo de muito baixo peso
Alternate title (s): Non-invasive platforms of metabolomics and biophotonics for neonatal sepsis detection based on urinary biomarkers in very low birth weight preterm newborns
Author: Borges, Mayla Silva
First Advisor: Silva, Robinson Sabino da
First coorientator: Ferreira, Daniela Marques de Lima Mota
Second coorientator: Azevedo, Vivian Mara Gonçalves de Oliveira
First member of the Committee: Nossol, Arlene Bispo dos Santos
Second member of the Committee: Procianoy, Renato Soibelmann
Third member of the Committee: Bentlin, Maria Regina
Fourth member of the Committee: Bonini, Marília Martins Prado
Summary: Introdução: A sepse neonatal é uma doença grave, com rápida progressão para falência multissistêmica, que acomete principalmente recém-nascidos pré-termo com muito baixo peso (RNPT MBP). O diagnóstico é desafiador, pois nesta população os sinais clínicos são inespecíficos, os exames laboratoriais limitados e a hemocultura têm acurácia reduzida, exige coleta invasiva e demora para liberação dos resultados, dificultando o diagnóstico precoce. Nesse contexto, é necessário desenvolver novas estratégias diagnósticas para detecção da sepse neonatal de forma não-invasiva e com célere liberação resultados. Objetivo: Desenvolver plataformas não-invasivas de detecção da sepse neonatal em RNPT MBP baseadas na identificação de novos biomarcadores urinários aplicados a algoritmos de inteligência artificial, por meio de uma plataforma biofotônica e por metabolômica. Materiais e métodos: Estudo longitudinal, realizado em uma unidade de terapia intensiva neonatal, de janeiro/2015 a setembro/2019. Incluíram-se RNPT com idade gestacional < 30 semanas e MBP (< 1.500g) ao nascer. Avaliou-se neonatos sem e com sepse neonatal. As amostras de urina coletadas no segundo dia após o nascimento foram analisadas por meio de espectroscopia infravermelha com transformada de Fourier acoplada com refletância total atenuada (ATR-FTIR) para identificação portátil dos modos vibracionais espectrais e por meio de espectroscopia de massa de alta resolução (MS) acoplada a um sistema de cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) para identificação de metabólitos. Posteriormente, os espectros de ambas as plataformas foram apoiados pelo uso de algoritmos de inteligência artificial para avaliação do desempenho diagnóstico (acurácia, sensibilidade e especificidade). Resultados: A análise por ATR-FTIR das amostras de urina de 71 RNPT MBP, incluindo 35 com sepse e 36 sem sepse, identificou que os modos vibracionais urinários relacionados a carboidratos, proteínas e lipídios podem ser usados para discriminar os RNPT MBP sem sepse de RNPT MBP sépticos. A classificação de melhor desempenho utilizou o algoritmo Random Forest associado ao pré-processamento (derivada de segunda ordem com normalização vetorial – espectros em 3050-2800/1800-900cm-1), obtendo sensibilidade de 74%, especificidade de 77% e acurácia de 76%. A análise Metabolômica por meio de HPLC-MS, baseada em amostras de urina de 77 RNPT MBP, incluindo 40 com sepse e 37 sem sepse, revelou que oito metabólitos urinários apresentaram diferenças significativas na concentração entre neonatos sem sepse e com sepse, indicando alterações nos metabolismos de aminoácidos e de lipídeos durante a fase inicial da sepse. A classificação de melhor desempenho utilizou o algoritmo Neural Network, obtendo sensibilidade de 80,43%, especificidade de 97,06% e acurácia de 87,50%. Conclusões: Foi evidenciado o potencial da plataforma portátil ATR-FTIR acoplada à inteligência artificial, utilizando urina, para a triagem diagnóstica da sepse neonatal. A plataforma de detecção não-invasiva baseada em metabolômica urinária e inteligência artificial identificou 8 metabólitos urinários pioneiros e apresenta potencial para utilização como alternativa na detecção da sepse neonatal. Embora sejam necessários novos estudos com número amostral maior, baseados em estudos multicêntricos, acreditamos que estas plataformas podem possibilitar avanços no rastreio, no diagnóstico e na monitorização da sepse neonatal, permitindo intervenções céleres e precisas que proporcionam redução na resistência antimicrobiana, nos custos e nas complicações associados ao tratamento tardio da sepse.
Abstract: Introduction: Neonatal sepsis is a severe disease that rapidly progresses to multiorgan failure, primarily affecting preterm newborns with very low birth weights (VLBWs). Diagnosis is challenging, as clinical signs in this population are nonspecific, laboratory tests are limited, and blood cultures have reduced accuracy, requiring invasive sample collection and extended time for results, thus hindering early diagnosis. In this context, there is a need to develop new diagnostic strategies for the noninvasive detection of neonatal sepsis, with timely result delivery. Objective: platforms for the detection of neonatal sepsis in very low birth weight preterm newborns, based on the identification of novel urinary biomarkers applied to artificial intelligence algorithms, through a biophotonic platform and metabolomics. Materials and methods: A longitudinal study was conducted in a neonatal intensive care unit from January 2015 to September 2019. Preterm newborns with a gestational age < 30 weeks and birth weight < 1,500 g were included. Neonates with and without neonatal sepsis were evaluated. Urine samples collected on the second day after birth were analyzed via Fourier transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance (ATR-FTIR) for portable identification in spectral vibrational mode and via high-resolution mass spectrometry (MS) coupled with high-performance liquid chromatography (HPLC) for metabolite identification. The spectra from both platforms were subsequently supported by artificial intelligence algorithms to assess diagnostic performance (accuracy, sensitivity, and specificity). Results: ATR-FTIR analysis of urine samples from 71 VLBW preterm newborns, including 35 with sepsis and 36 without sepsis, revealed that urinary vibrational modes related to carbohydrates, proteins, and lipids could discriminate between septic and nonseptic VLBW preterm newborns. The highest-performing classification used the random forest algorithm associated with preprocessing (second-order derivative with vector normalization – spectra at 3050--2800/1800--900 cm-1), yielding a sensitivity of 74%, specificity of 77%, and accuracy of 76%. Metabolomic analysis via HPLC-MS, which was based on urine samples from 77 VLBW preterm newborns, including 40 with sepsis and 37 without sepsis, revealed that eight urinary metabolites presented significant concentration differences between septic and nonseptic neonates, indicating alterations in amino acid and lipid metabolism during the early phase of sepsis. The best-performing classification used the neural network algorithm, which achieved a sensitivity of 80.43%, specificity of 97.06%, and accuracy of 87.50%. Conclusions: The potential of the portable ATR-FTIR platform combined with artificial intelligence for the use of urine for neonatal sepsis diagnostic screening was demonstrated. The noninvasive detection platform based on urinary metabolomics and artificial intelligence identified eight novel urinary metabolites and shows promise as an alternative in neonatal sepsis detection. Although further studies with larger sample sizes and multicenter designs are needed, we believe that these platforms can facilitate advances in the screening, diagnosis, and monitoring of neonatal sepsis, enabling timely and precise interventions that reduce antimicrobial resistance, costs, and complications associated with delayed sepsis treatment.
Keywords: Sepse Neonatal
Neonatal Sepsis
Recém-Nascido Prematuro
Infant
Recém-Nascido de Muito Baixo Peso
Premature
Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier
ATR-FTIR
Very Low Birth Weight
Inteligência Artificial
Spectroscopy
Metabolômica
Fourier Transform Infrared
Espectrometria de Massas
Artificial Intelligence
Biomarcadores
Metabolomics
Diagnóstico
Mass Spectrometry
Urina
Biomarkers
Diagnosis
Urine
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS DA SAUDE
Subject: Ciências médicas
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Ciências da Saúde
Quote: BORGES, Mayla Silva. Plataformas não-invasivas metabolômica e biofotônica para detecção da sepse neonatal baseadas em biomarcadores urinários de recém-nascidos pré-termo de muito baixo peso. 2024. 144 f. Tese (Doutorado em Ciências da Saúde) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.697.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.697
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/43733
Date of defense: 27-Sep-2024
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
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