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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-3114-669X
Document type: Tese
Access type: Acesso Embargado
Embargo Date: 2027-10-31
Title: Detecção do câncer de mama por meio de biópsia líquida: abordagens baseadas em espectroscopia infravermelha, metabolômica e inteligência artificial
Alternate title (s): Breast cancer detection through liquid biopsy: approaches based on infrared spectroscopy, metabolomics, and artificial intelligence
Author: Ferreira, Izabella Cristina Costa
First Advisor: Maia, Yara Cristina de Paiva
First member of the Committee: Rocha, Rafael Malagoli
Second member of the Committee: Freitas, Raul de Oliveira
Third member of the Committee: Bastos, Luciana Machado
Fourth member of the Committee: Vieira, Carlos Ueira
Summary: Introdução: A detecção precoce e precisa do câncer de mama (CM), o tipo de câncer mais frequentemente diagnosticado em mulheres em todo o mundo, continua sendo um desafio clínico. A biópsia líquida (BL) baseada em sangue representa uma abordagem minimamente invasiva que permite não apenas a detecção do câncer, mas também o monitoramento contínuo da resposta ao tratamento e da progressão da doença. A BL do câncer tem sido impulsionada por poderosas tecnologias ômicas, especialmente a espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier com refletância total atenuada (ATR-FTIR) e a metabolômica baseada em cromatografia líquida acoplada à espectrometria de massas (LC-MS). Ambas permitem a análise bioquímica do plasma e de seus biomarcadores circulantes, como metabólitos e vesículas extracelulares (VEs), que podem refletir alterações moleculares derivadas do tumor. Objetivos: Investigar o potencial de abordagens baseadas em ATR-FTIR, metabolômica e inteligência artificial (IA) aplicadas à biópsia líquida do CM, por meio da identificação de assinaturas moleculares no plasma, visando a detecção precoce e o monitoramento da doença. Materiais e métodos: Amostras de plasma foram coletadas de pacientes com CM não metastático (CMNM), CM metastático (CMM), doença benigna da mama (DBM) e controles (CO). No primeiro artigo, o plasma foi analisado por ATR-FTIR e metabolômica global. O potencial das assinaturas infravermelhas para predição do grupo clínico foi avaliado por modelos de aprendizado de máquina (ML), enquanto os metabólitos diferenciais foram identificados por teste-t não pareado. No segundo artigo, o plasma e as VEs derivadas do plasma foram analisados por ATR-FTIR, e modelos preditivos baseados em ML também foram aplicados aos dados. Antes do ATR-FTIR, as VEs foram isoladas por ultracentrifugação e caracterizadas por técnicas padrão. Resultados: No primeiro artigo, a espectroscopia ATR-FTIR do plasma apresentou alto desempenho na distinção entre CO e CMNM, e identificou assinaturas associadas a condições metastáticas e benignas, embora com desempenho inferior na discriminação entre benigno e maligno. O perfil metabolômico corroborou os achados espectroscópicos, e revelou alterações em várias vias metabólicas e potenciais biomarcadores. Em resumo, foi identificado um perfil metabólico que diferenciou DBM ou CMNM de CO, outro que diferenciou DBM de CMNM, e um que foi característico de CMM. No segundo artigo, modelos de classificação baseados em espectros de VEs superaram aqueles baseados em plasma, particularmente na distinção entre CMNM e demais grupos (> 80%), evidenciando as VEs como fonte mais específica e informativa para BL. A inclusão de CMM reduziu o desempenho, refletindo maior heterogeneidade associada à metástase. Assim como no primeiro artigo, os espectros de plasma apresentaram alto desempenho na distinção entre CO e DBM, comparação de menor relevância clínica, mas útil para caracterizar condições benignas da mama. Conclusão: Este trabalho demonstrou o potencial do plasma e de seus biomarcadores circulantes, especialmente as VEs, como ferramentas promissoras para BL quando analisados por técnicas ômicas e IA. Esses achados contribuem para o desenvolvimento de abordagens mais precisas, eficazes e minimamente invasivas para a detecção precoce e o monitoramento do CM, reduzindo a necessidade de procedimentos invasivos.
Abstract: Introduction: Early and accurate detection of breast cancer (BC), the most frequently diagnosed cancer in women worldwide, remains a clinical challenge. Blood-based liquid biopsy (LB) represents a minimally invasive approach that allows not only cancer detection but also continuous monitoring of treatment response and disease progression. LB in cancer has been driven by powerful omics technologies, particularly attenuated total reflectance Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS)-based metabolomics. Both enable the biochemical analysis of plasma and its circulating biomarkers, such as metabolites and extracellular vesicles (EVs), which may reflect tumor-derived molecular alterations. Objectives: To investigate the potential of ATR-FTIR, metabolomics, and artificial intelligence (AI)-based approaches applied to BC liquid biopsy by identifying molecular signatures in plasma, aiming at early detection and disease monitoring. Materials and methods: Plasma samples were collected from patients with non-metastatic BC (NMBC), metastatic BC (MBC), benign breast disease (BBD), and controls (CO). In the first article, plasma was analyzed by ATR-FTIR and global metabolomics. The potential of infrared signatures for clinical group prediction was assessed using machine learning (ML) models, while differential metabolites were identified using unpaired t-test. In the second article, plasma and plasma-derived EVs were analyzed by ATR-FTIR, and ML-based predictive models were also applied to the data. Prior to ATR-FTIR, EVs were isolated by ultracentrifugation and characterized by standard techniques. Results: In the first article, plasma ATR-FTIR spectroscopy presented high performance in distinguishing between CO and NMBC, and identified signatures associated with metastatic and benign conditions, although with lower performance in discriminating between benign and malignant. Metabolomic profiling corroborated the spectroscopic findings and revealed alterations in several metabolic pathways and potential biomarkers. In summary, it was identified a metabolic profile that differentiated BBD or NMBC from CO, another that differentiated BBD from NMBC, and one that was characteristic of MBC. In the second article, classification models based on EV spectra outperformed those based on plasma, particularly in distinguishing between NMBC and other groups (>80%), highlighting EVs as a more specific and informative source for LB. The inclusion of MBC reduced performance, reflecting greater heterogeneity associated with metastasis. As in the first article, plasma spectra showed high performance in distinguishing CO and BBD, a comparison of less clinical relevance but useful for characterizing benign breast conditions. Conclusion: This work demonstrated the potential of plasma and its circulating biomarkers, especially EVs, as promising tools for BL when analyzed using omics and AI techniques. These findings contribute to the development of more accurate, effective, and minimally invasive approaches for the early detection and monitoring of BC, reducing the need for invasive procedures.
Keywords: Câncer de mama
Breast cancer
Biópsia líquida
Liquid biopsy
Plasma
Plasma
Vesículas extracelulares
Extracellular vesicles
Metabólitos
Metabolites
Espectroscopia ATR-FTIR
ATR-FTIR spectroscopy
Metabolômica
Metabolomics
Aprendizado de máquina
Machine Learning
Ciências médicas
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS DA SAUDE::MEDICINA::ANATOMIA PATOLOGICA E PATOLOGIA CLINICA
Subject: Ciências médicas
Mamas - Câncer
Plasma sanguíneo
Tumores
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Ciências da Saúde
Quote: FERREIRA, Izabella Cristina Costa. Detecção do câncer de mama por meio de biópsia líquida: abordagens baseadas em espectroscopia infravermelha, metabolômica e inteligência artificial. 2025. 154 f. Tese (Doutorado em Ciências da Saúde) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.5069.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.5069
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/47980
Date of defense: 31-Oct-2025
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.
ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
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