Dissertation/ Thesis
Statistical characterization of laboratory results in pediatric patients for the establishment of reference intervals: a methodological framework for clinical laboratory interpretation
| Τίτλος: | Statistical characterization of laboratory results in pediatric patients for the establishment of reference intervals: a methodological framework for clinical laboratory interpretation |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Rodríguez González, Helena |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria de Sistemes, Automàtica i Informàtica Industrial |
| Thesis Advisors: | Perera Lluna, Alexandre, Artuch Iriberri, Rafael |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 154 p. |
| Θεματικοί όροι: | Pediatric biomarkers, Reference intervals, Age-adjusted modelling, Cerebrospinal fluid, Amino acids, Monoamines, Serum copper, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria biomèdica, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria química, 577 - Bioquímica. Biologia molecular. Biofísica, 616 - Patologia. Medicina clínica. Oncologia |
| Περιγραφή: | Tesi en modalitat de compendi de publicacions |
| Description (Translated): | (English) This doctoral thesis was conducted within the framework of the Laboratory of Inborn Errors of Metabolism at Hospital Sant Joan de Déu and arises from the clinical need to improve the interpretation of biochemical laboratory results in pediatric patients with rare metabolic diseases. In this context, the evaluation of metabolites in blood and cerebrospinal fluid (CSF) in children faces several challenges: a strong age dependency, the influence of multiple physiological and clinical factors, and the lack of true healthy control subjects. These limitations complicate the establishment of reliable reference intervals using traditional approaches based on healthy populations stratified by age groups. The main objective of this thesis is to develop and validate a unified analytical approach to define reference intervals, assess confounding factors—such as medication or inflammation—and characterize metabolic profiles across different pediatric conditions. To this end, several representative use cases affected by these limitations were identified, allowing the applicability of the proposed approach to be evaluated across different types of biomarkers and clinical contexts. As a first use case, CSF neurotransmitters were studied, specifically the metabolites homovanillic acid (HVA) and 5-hydroxyindoleacetic acid (5-HIAA), which are the end products of the dopamine and serotonin pathways, respectively. This scenario presents the additional challenge of the absence of healthy controls, as lumbar puncture is not routinely performed in healthy individuals. Using a cohort of 1,533 pediatric patients, regression models were applied to capture age dependency, and Gaussian mixture models were used to discriminate between deficient and non-deficient populations. This approach enabled the definition of continuous reference intervals that more realistically reflect the biological evolution of these metabolites. It also allowed the correct identification of primary deficiencies and reduced the detection of secondary alterations without clinical correlation. In a second study, the CSF amino acid profile was analyzed in a cohort of 410 pediatric patients, including patients with epilepsy and controls with other neurological disorders. Age-adjusted reference intervals were established, and the impact of antiepileptic medication and clinical variables was assessed using regression models and multivariate analyses. The results revealed a pronounced effect of age and certain pharmacological treatments, particularly on glutamine levels, and enabled the identification of biochemical patterns associated with specific clinical subgroups. Finally, a proof of concept was developed for the establishment of serum copper reference intervals adjusted for age and inflammation, based on a cohort of 1,141 pediatric patients. A multivariate inflammatory index was constructed using partial least squares regression, integrating three acute-phase biomarkers. Incorporation of this index into the model allowed correction for the effect of inflammation on copper levels and improved their clinical interpretation. Overall, these studies demonstrate that the proposed statistical methodology significantly improves the interpretation of pediatric biomarkers, both in cerebrospinal fluid and serum. The developed methodologies reduce false positives, integrate relevant confounding factors, and provide tools that are transferable to other analytes and clinical contexts. (Català) Aquesta tesi doctoral es desenvolupa en el context del Laboratori d’Errors Congènits del Metabolisme de l’Hospital Sant Joan de Déu i sorgeix de la necessitat clínica de millorar la interpretació dels resultats de bioquímica en pacients pediàtrics amb malalties metabòliques rares. En aquest àmbit, l’avaluació de metabolits en sang i líquid cefalorraquidi (LCR) en nens presenta diversos reptes: una forta dependència amb l’edat, la influència de múltiples factors fisiològics i clínics, i l’absència de pacients control reals. Aquestes limitacions dificulten l’establiment d’intervals de referència fiables mitjançant enfocaments tradicionals basats en poblacions sanes estratificades per grups d’edat. L’objectiu principal d’aquesta tesi és desenvolupar i validar un enfocament analític unificat per definir intervals de referència, avaluar factors de confusió —com la medicació o la inflamació— i caracteritzar perfils metabòlics en diferents condicions pediàtriques. Per això, es van identificar diversos casos d’ús representatius d’aquestes limitacions, que permeten avaluar l’aplicabilitat de l’enfocament proposat en diferents tipus de biomarcadors i contextos clínics. Com a primer cas d’ús, es van estudiar els neurotransmissors en LCR, concretament els metabolits àcid homovanílic (HVA) i àcid 5-hidroxiindolacètic (5-HIAA), productes finals de les vies de la dopamina i la serotonina. Aquest escenari presenta la dificultat addicional de l’absència de controls sans, ja que la punció lumbar no es realitza de manera rutinària en població sana. A partir d’una cohort de 1.533 pacients pediàtrics, es van emprar models de regressió per capturar la dependència amb l’edat i models de mescles gaussianes per discriminar poblacions amb dèficit i sense dèficit. D’aquesta manera, es van definir intervals de referència continus que reflecteixen de forma més realista l’evolució biològica d’aquests metabolits. Aquest enfocament va permetre identificar correctament dèficits primaris i reduir la detecció d’alteracions secundàries sense correlació clínica. En un segon estudi, es va analitzar el perfil d’aminoàcids en LCR en una cohort de 410 pacients pediàtrics, que incloïa pacients amb epilèpsia i controls amb altres patologies neurològiques. Es van establir intervals de referència ajustats per edat i es va avaluar l’impacte de la medicació antiepilèptica i de variables clíniques mitjançant models de regressió i anàlisis multivariants. Els resultats van evidenciar un marcat efecte de l’edat i de determinats tractaments farmacològics, especialment sobre els nivells de glutamina, i van permetre identificar patrons bioquímics associats a subgrups clínics específics. Finalment, es va desenvolupar una prova de concepte per a l’establiment d’intervals de referència de coure sèric ajustats per edat i inflamació, a partir d’una cohort de 1.141 pacients pediàtrics. Es va construir un índex inflamatori multivariant mitjançant regressió per mínims quadrats parcials, integrant tres biomarcadors de fase aguda. La incorporació d’aquest índex al model va permetre corregir l’efecte de la inflamació sobre els nivells de coure i millorar-ne la interpretació clínica. En conjunt, aquests treballs demostren que l’ús de la metodologia estadística proposada permet millorar de manera significativa la interpretació de biomarcadors en pediatria, tant en líquid cefalorraquidi com en sèrum. Les metodologies proposades redueixen falsos positius, integren factors de confusió rellevants i proporcionen eines transferibles a altres analits i contextos clínics. (Español) Esta tesis doctoral se desarrolla en el contexto del Laboratorio de Errores Congénitos del Metabolismo del Hospital Sant Joan de Déu y surge de la necesidad clínica de mejorar la interpretación de los resultados de bioquímica en pacientes pediátricos con enfermedades metabólicas raras. En este ámbito, la evaluación de metabolitos en sangre y líquido cefalorraquídeo (LCR) en niños presenta varios retos: una fuerte dependencia con la edad, la influencia de múltiples factores fisiológicos y clínicos, y la ausencia de pacientes control. Estas limitaciones dificultan el establecimiento de intervalos de referencia fiables mediante enfoques tradicionales basados en poblaciones sanas estratificadas por grupos de edad. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar y validar un enfoque analítico unificado para definir intervalos de referencia, evaluar factores de confusión —como la medicación o la inflamación— y caracterizar perfiles metabólicos en distintas condiciones pediátricas. Para ello, se identificaron varios casos de uso representativos de estas limitaciones, que permiten evaluar la aplicabilidad del enfoque propuesto en diferentes tipos de biomarcadores y contextos clínicos. Como primer caso de uso, se estudiaron los neurotransmisores en LCR, en concreto los metabolitos ácido homovanílico (HVA) y ácido 5-hidroxiindolacético (5-HIAA), productos finales de las vías de la dopamina y la serotonina. Este escenario presenta la dificultad añadida de la ausencia de controles sanos, dado que la punción lumbar no se realiza de forma rutinaria en población sana. A partir de una cohorte de 1.533 pacientes pediátricos, se emplearon modelos de regresión para capturar la dependencia con la edad y modelos de mezclas gaussianas para discriminar poblaciones deficitarias y no deficitarias. De este modo, se definieron intervalos de referencia continuos que reflejan de forma más realista la evolución biológica de estos metabolitos. Este enfoque permitió identificar correctamente deficiencias primarias y reducir la detección de alteraciones secundarias sin correlación clínica. En un segundo estudio, se analizó el perfil de aminoácidos en LCR en una cohorte de 410 pacientes pediátricos, que incluía pacientes con epilepsia y controles con otras patologías neurológicas. Se establecieron intervalos de referencia ajustados por edad y se evaluó el impacto de la medicación antiepiléptica y de variables clínicas mediante modelos de regresión y análisis multivariantes. Los resultados evidenciaron un marcado efecto de la edad y de determinados tratamientos farmacológicos, especialmente sobre los niveles de glutamina, y permitieron identificar patrones bioquímicos asociados a subgrupos clínicos específicos. Finalmente, se desarrolló una prueba de concepto para el establecimiento de intervalos de referencia de cobre sérico ajustados por edad e inflamación, a partir de una cohorte de 1.141 pacientes pediátricos. Se construyó un índice inflamatorio multivariante mediante regresión por mínimos cuadrados parciales, integrando tres biomarcadores de fase aguda. La incorporación de este índice al modelo permitió corregir el efecto de la inflamación sobre los niveles de cobre y mejorar su interpretación clínica. En conjunto, estos trabajos demuestran que el uso de la metodología estadística propuesta permite mejorar de forma significativa la interpretación de biomarcadores en pediatría, tanto en líquido cefalorraquídeo como en suero. Las metodologías propuestas reducen falsos positivos, integran factores de confusión relevantes y proporcionan herramientas transferibles a otros analitos y contextos clínicos. DOCTORAT EN ENGINYERIA BIOMÈDICA (Pla 2012) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-471774 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/698033 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-471774 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.698033 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-471774 |
|---|