Altered glycosylation of prostate specific antigen in prostate cancer: structural analysis and assessment for cancer risk stratification

Abstract

The prostate-specific antigen (PSA) is the reference biomarker for prostate cancer (PCa) diagnosis. This biomarker is increased in PCa, but also in benign prostate hyperplasia (BPH) causing a high number of unnecessary biopsies. As in other types of tumours, it is common to find alterations in the glycosylation of certain proteins, which are associated with the progression of cancer and malignancy and can be potential biomarkers for cancer diagnosis.

In previous studies from our group, a methodology to analyse PSA sialylation was designed. PSA from serum samples of high-risk PCa patients showed an increase in the percentage of 2,3-linked sialylated structures (2,3-SA) of PSA compared to patients with BPH or low/intermediate-risk PCa.

In the first part of this thesis, the glycans of PSA from patients with aggressive PCa have been sequenced and compared with those of standard PSA (purified from seminal plasma of healthy donors). The increase of 2,3-SA PSA structures from aggressive PCa patients was mostly due to the reduction of the main standard PSA α2,6-disialylated glycan structure.

In the second part of this thesis, a half-strip lateral flow assay has been designed to quantify the 2,6-SA PSA using the lectin SNA and showed specificity for 2,6-SA PSA structures when using standard PSA. In order to analyse serum samples, it is necessary to firstly purify the PSA to separate it from the rest of the glycoproteins present in the serum that can interact with the SNA and hamper the binding of 2,6-SA PSA.

In the third part, a multicentric study was performed to study the potential of %2,3-SA PSA, PHI and multiparametric magnetic resonance imaging to distinguish high-risk PCa from the rest of PCa or BPH. The three biomarkers and their combination outperformed tPSA to diagnose high-risk PCa. In addition, %2,3-SA PSA and PHI significantly improve the diagnosis of PCa versus BPH patients and differentiate clinically significant PCa (csPCa) from non-clinically significant ones. These results indicate that the combination of these biomarkers could be an effective strategy to improve PCa stratification and reduce the number of unnecessary biopsies, specially to those patients with BPH.

In conclusion, the results of this thesis demonstrate that %2,3-SA PSA is a good biomarker for the detection and stratification of PCa, and it is necessary to design a diagnostic kit to detect the specific PSA glycoforms associated with the csPCa or high-risk PCa to be transferred into clinics

L’antigen prostàtic específic (PSA) és el biomarcador de referència pel diagnòstic del càncer de pròstata (PCa). Aquest, es troba incrementat en el PCa, però també en la hiperplàsia benigne de pròstata (BPH) causant un alt nombre de biòpsies innecessàries. Així com en altres tipus de tumors, és freqüent trobar alteracions en la glicosilació de determinades proteïnes, que s’associen amb la progressió del càncer i malignitat i poden ser potencials biomarcadors pel diagnòstic del càncer.

En estudis previs del nostre grup es va dissenyar una metodologia per analitzar la sialilació del PSA. El PSA del sèrum de pacients amb PCa d’alt risc va presentar un increment en el percentatge d’estructures sialilades amb enllaç 2,3 (2,3-SA) respecte pacients amb BPH o PCa de risc baix o intermedi.

En la primera part de la tesi s’han seqüenciat els glicans del PSA de pacients amb PCa agressiu i comparat amb els del PSA estàndard (purificat a partir de plasma seminal de donadors sans). L’increment d’estructures del PSA amb 2,3-SA en pacients amb PCa agressiu va ser causat majoritàriament per la reducció de l’estructura majoritària del PSA Standard α2,6-SA disialilada.

En la segona part de la tesi s’ha dissenyat un assaig de flux lateral de mitja tira per quantificar 2,6-SA PSA utilitzant la lectina SNA i testant PSA estàndard es va demostrar especificitat per les estructures del PSA amb 2,6-SA. Per treballar amb mostres de sèrum cal purificar prèviament el PSA per separar-lo de la resta de glicoproteïnes presents al sèrum que poden interactuar amb la SNA i dificultar la unió del 2,6-SA PSA.

En la tercera part s’ha realitzat un estudi multicèntric per estudiar el potencial del %2,3-SA PSA, PHI i de la ressonància magnètica multiparamètrica per distingir PCa d’alt risc, de la resta de PCa o BPH. Els tres biomarcadors i la seva combinatòria van superar el potencial del tPSA pel diagnòstic de PCa d’alt risc. A més, el %2,3-SA PSA i PHI milloren significativament el diagnòstic de pacients amb PCa respecte BPH i també diferencien un PCa clínicament significatiu (csPCa) respecte un no-clínicament significatiu. Aquests resultats indiquen que la combinació d’aquests biomarcadors pot ser una estratègia eficaç per millorar l’estratificació del PCa i reduir el nombre de biòpsies innecessàries, sobretot en pacients amb BPH.

En conclusió, els resultats d’aquesta tesi demostren que %2,3-SA PSA és un bon biomarcador per a la detecció i estratificació del PCa, i que cal dissenyar un kit de diagnòstic que permeti detectar les glicoformes específiques del PSA associades al csPCa o PCa d’alt risc per ser traslladable a la clínica