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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-0955-8559
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Identificação da displasia broncopulmonar em recém-nascidos pré-termos de muito baixo peso por meio de biomarcadores urinários: aplicações não-invasivas com plataformas metabolômica e ATR-FTIR
Alternate title (s): Identificação da displasia broncopulmonar em recém-nascidos pré-termos de muito baixo peso por meio de biomarcadores urinários
Author: Nascimento, Camila Piqui
First Advisor: Silva, Robinson Sabino da
First coorientator: Azevedo, Vivian Mara Gonçalves de Oliveira
First member of the Committee: Vitorino, Rui Miguel Pinheiro
Second member of the Committee: Caldas, Jamil Pedro de Siqueira
Third member of the Committee: Nobre, Daniela Testoni Costa
Fourth member of the Committee: Cunha, Thúlio Marquez
Summary: Introdução: A displasia broncopulmonar (DBP) é uma doença pulmonar crônica que acomete recém-nascidos pré-termo (RNPT), caracterizada por prejuízo no desenvolvimento alveolar e vascular, resultando em comprometimento da troca gasosa e dependência prolongada de oxigênio. A elevada incidência da prematuridade e a morbimortalidade associada à DBP expõem a limitação de um diagnóstico ainda baseado em desfechos clínicos tardios, que não refletem as alterações imuno-inflamatórias precoces da doença. Essa limitação compromete a estratificação de risco e a adoção de intervenções oportunas, justificando o desenvolvimento de biomarcadores não invasivos integrados à inteligência artificial para aprimorar a predição e o manejo da DBP em RNPT de muito baixo peso. Objetivo: Desenvolver e avaliar plataformas não invasivas baseadas em biomarcadores urinários, integradas a algoritmos de inteligência artificial, para a predição precoce da DBP em recém-nascidos pré-termo de muito baixo peso (RNPT MBP). Materiais e métodos: Realizou-se um estudo longitudinal em uma unidade de terapia intensiva neonatal, incluindo RNPT com idade gestacional < 30 semanas e muito baixo peso ao nascer (< 1.500g). Os recém-nascidos foram classificados em dois grupos: DBP e sem DBP. Amostras de urina coletadas no segundo dia de vida foram analisadas por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier com refletância total atenuada (ATR-FTIR) e por espectrometria de massa de alta resolução (MS) acoplada à cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) para identificação de metabólitos. Em seguida, os espectros obtidos por ambas as plataformas foram submetidos à análise de algoritmos de inteligência artificial para avaliação do desempenho de predição diagnóstica (acurácia, sensibilidade e especificidade). As análises estatísticas incluíram testes paramétricos e não paramétricos para comparação entre grupos, análise multivariada de dados espectrais por PCA, aplicação de algoritmos de aprendizado de máquina para classificação, análise metabolômica, regressão logística uni e multivariável, validação interna por bootstrap, avaliação do desempenho preditivo por curvas ROC e análise de decisão clínica. Resultados: Na análise por ATR-FTIR de 42 amostras urinárias de RNPT MBP, incluindo 20 com DBP e 22 sem DBP, o algoritmo de Ada Boost associado com pré-processamento de segunda derivada apresentou 73% de sensibilidade, 81% de especificidade e 78% de acurácia na classificação entre recém-nascidos que evoluíram ou não para DBP. Os marcadores vibracionais mais relevantes foram associados a lipídeos, carboidratos e proteínas. A análise metabolômica por HPLC–MS de 88 amostras urinárias de recém-nascidos pré-termo de muito baixo peso, incluindo 33 com DBP e 55 sem DBP, identificou dois metabólitos com abundância significativamente diferente entre os grupos. O modelo multivariável final (M2), que combinou sexo, peso ao nascer, idade gestacional, ventilação mecânica no segundo dia de vida e Cys–Ser–Met urinário, apresentou bom desempenho discriminatório, com AUC de 0,862 (IC 95% bootstrap, 0,775–0,937). No ponto de corte de 0,347, o modelo alcançou sensibilidade de 80,7%, especificidade de 83,9% e acurácia de 81,8%, com valor preditivo positivo de 90,2% e valor preditivo negativo de 70,3%. Conclusões: Os resultados evidenciam o potencial da plataforma portátil ATR-FTIR associada a algoritmos de inteligência artificial para a triagem diagnóstica da DBP utilizando uma matriz biológica não invasiva como a urina. A abordagem metabolômica urinária identificou Cys–Ser–Met e creatinina como metabólitos diferencialmente abundantes em recém-nascidos pré-termo com DBP, e a incorporação de Cys–Ser–Met às variáveis clínicas melhorou a discriminação do modelo, embora esses achados ainda requeiram validação externa em coortes maiores e multicêntricas. Em conjunto com nossos resultados prévios obtidos por ATR–FTIR, estes dados sugerem que plataformas espectroscópicas e metabolômicas podem fornecer assinaturas bioquímicas complementares para a identificação precoce da DBP, devendo sua utilidade diagnóstica e clínica ser confirmada prospectivamente antes da implementação na prática neonatal.
Abstract: Introduction: Bronchopulmonary dysplasia (BPD) is a chronic lung disease affecting preterm infants, characterized by impaired alveolar and vascular development, resulting in compromised gas exchange and prolonged oxygen dependency. The high incidence of prematurity and the morbidity and mortality associated with BPD highlight the limitations of a diagnosis that remains largely based on late clinical outcomes, which fail to reflect the early immunoinflammatory alterations underlying the disease. This limitation hinders risk stratification and timely intervention, underscoring the need for the development of non-invasive biomarkers integrated with artificial intelligence to improve the prediction and management of BPD in very low birth weight preterm infants. Objective: To develop and evaluate non-invasive platforms based on urinary biomarkers integrated with artificial intelligence algorithms for the early prediction of BPD in very low birth weight preterm infants (VLBW-PTIs). Materials and Methods: A longitudinal study was conducted in a neonatal intensive care unit between January 2015 and September 2019, including preterm infants with gestational age <30 weeks and very low birth weight (<1,500 g). Infants were classified into two groups: BPD and non-BPD. Urine samples collected on the second day of life were analyzed using attenuated total reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) and high-resolution mass spectrometry (MS) coupled with high-performance liquid chromatography (HPLC) for metabolite identification. Spectral data generated by both platforms were subsequently analyzed using artificial intelligence algorithms to assess diagnostic predictive performance (accuracy, sensitivity, and specificity). Statistical analyses included parametric and nonparametric tests for group comparisons, principal component analysis (PCA) of spectral data, machine learning-based classification algorithms, metabolomic analysis, univariable and multivariable logistic regression, internal bootstrap validation, receiver operating characteristic (ROC) curve analysis, and decision curve analysis. Results: In the ATR-FTIR analysis of 42 urine samples from very low birth weight (VLBW) preterm infants, including 20 with bronchopulmonary dysplasia (BPD) and 22 without BPD, the AdaBoost algorithm combined with second-derivative preprocessing demonstrated a sensitivity of 73%, a specificity of 81%, and an accuracy of 78% in classifying infants who did or did not develop BPD. The most relevant vibrational markers were associated with lipids, carbohydrates, and proteins. HPLC-MS metabolomic analysis of 88 urine samples from VLBW preterm infants, including 33 with BPD and 55 without BPD, identified two metabolites with significantly different abundances between the groups. The final multivariable model (M2), which combined sex, birth weight, gestational age, mechanical ventilation on the second day of life, and urinary Cys-Ser-Met, showed good discriminatory performance, yielding an AUC of 0.862 (bootstrap 95% CI, 0.775–0.937). At a cutoff of 0.347, the model achieved 80.7% sensitivity, 83.9% specificity, and 81.8% accuracy, with a positive predictive value of 90.2% and a negative predictive value of 70.3%. Conclusions: The results highlight the potential of a portable ATR-FTIR platform combined with artificial intelligence algorithms for the diagnostic screening of BPD using a non-invasive biological matrix such as urine. The urinary metabolomic approach identified Cys-Ser-Met and creatinine as differentially abundant metabolites in preterm infants with BPD, and the incorporation of Cys-Ser-Met into clinical variables improved model discrimination. However, these findings still require external validation in larger, multicenter cohorts. Together with our previous results obtained via ATR-FTIR, these data suggest that spectroscopic and metabolomic platforms can provide complementary biochemical signatures for the early identification of BPD, though their diagnostic and clinical utility must be prospectively confirmed prior to implementation in neonatal practice.
Keywords: Displasia Broncopulmonar
Bronchopulmonary Dysplasia
Biomarcadores
Biomarkers
Recém-Nascido de muito Baixo Peso
Infant, Very Low Birth Weight
Recém-Nascido Prematuro
Infant, Premature
Metabolômica
ATR-FTIR
Urina
Metabolomics
Urine
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS DA SAUDE::MEDICINA::SAUDE MATERNO-INFANTIL
Subject: Ciências médicas
Recém-nascidos - Doenças - Diagnóstico
Tratamento respiratório para recém-nascidos
Baixo peso ao nascer
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Ciências da Saúde
Quote: NASCIMNTO, Camila Piqui. Identificação da displasia broncopulmonar em recém-nascidos pré-termos de muito baixo peso por meio de biomarcadores urinários: aplicações não-invasivas com plataformas metabolômica e ATR-FTIR. 2026. 121 f. Tese (Doutorado em Ciências da Saúde) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.663
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.663
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/50354
Date of defense: 25-Aug-2026
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.
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Ciências da Saúde

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