Biomarker für Herzerkrankungen, erfasst durch neuartige Nanopartikeltechnologie

Quelle: Kateryna Kon/Science Photo Library/Getty Images

Wissenschaftler der University of Wisconsin-Madison (UW-Madison) geben an, eine Technik entwickelt zu haben, die klebrige Nanopartikel mit hochpräziser Proteinmessung kombiniert, um einen häufigen Marker für Herzerkrankungen zu erfassen und zu analysieren und so Details aufzudecken, die zuvor nicht zugänglich waren.

Die neue Methode – Nanoproteomik – erfasst und misst effektiv verschiedene Formen des Proteins kardiales Troponin I oder cTnI, ein Biomarker für Herzschäden, der derzeit zur Diagnose von Herzinfarkten und anderen Herzerkrankungen verwendet wird, so das Team, das dies für einen wirksamen Test hält cTnI-Variationen könnten Ärzten eines Tages eine bessere Diagnose von Herzerkrankungen ermöglichen, der häufigsten Todesursache in den USA

UW-Madison Ying Ge, PhD, Professor für Zell- und regenerative Biologie und Chemie, Song Jin, PhD, Professor für Chemie, und die Chemie-Doktoranden Timothy Tiambeng und David Roberts leiteten die Studie „Nanoproteomics ermöglicht proteoformaufgelöste Analyse von Proteinen mit geringer Häufigkeit.“ in menschlichem Serum“, das in Nature Communications veröffentlicht wurde. Die Forscher planen nun, mit ihrer neuen Methode die verschiedenen Formen von cTnI mit bestimmten Herzerkrankungen in Verbindung zu bringen, um einen neuen diagnostischen Test zu entwickeln.

„Top-Down-Massenspektrometrie (MS)-basierte Proteomik bietet eine umfassende Analyse von Proteoformen, um ein proteomweites Verständnis der Proteinfunktionen zu erreichen. Der MS-Nachweis von Proteinen in geringer Häufigkeit aus Blut bleibt jedoch aufgrund der außergewöhnlichen Dynamik eine ungelöste Herausforderung.“ Bereich des Blutproteoms. Hier entwickeln wir eine integrierte Nanoproteomics-Methode, die peptidfunktionalisierte superparamagnetische Nanopartikel (NPs) mit Top-Down-MS für die direkte Anreicherung und umfassende Analyse von kardialem Troponin I (cTnI), einem Goldstandard-Herzbiomarker, koppelt aus Serum“, schreiben die Ermittler.

„Diese NPs ermöglichen die empfindliche Anreicherung von cTnI (<1 ng/ml) mit hoher Spezifität und Reproduzierbarkeit, während gleichzeitig sehr häufig vorkommende Proteine ​​wie menschliches Serumalbumin (>1010 häufiger als cTnI) abgebaut werden. Wir zeigen, dass Top-Down-Nanoproteomik dies kann.“ Bereitstellung hochauflösender proteoformaufgelöster molekularer Fingerabdrücke verschiedener cTnI-Proteoformen, um Proteoform-Pathophysiologie-Beziehungen festzustellen.“

„Diese skalierbare und reproduzierbare antikörperfreie Strategie kann im Allgemeinen die Proteoform-aufgelöste Analyse von Proteinen mit geringer Häufigkeit direkt aus dem Serum ermöglichen, um bisher unerreichbare molekulare Details aufzudecken.“

Ärzte verwenden derzeit einen auf Antikörpern basierenden ELISA-Test, um Herzinfarkte anhand erhöhter cTnI-Werte in der Blutprobe des Patienten zu diagnostizieren. Obwohl der ELISA-Test empfindlich ist, können Patienten hohe cTnI-Werte im Blut aufweisen, ohne an einer Herzerkrankung zu leiden, was zu teuren und unnötigen Behandlungen für die Patienten führen kann.

„Deshalb wollen wir unser Nanoproteomics-System nutzen, um verschiedene modifizierte Formen dieses Proteins detaillierter zu untersuchen, anstatt nur seine Konzentration zu messen“, sagt Ge, der auch Direktor des Human Proteomics Program an der UW School of Medicine and Public Health ist . „Das wird dazu beitragen, molekulare Fingerabdrücke von cTnI von jedem Patienten für die Präzisionsmedizin aufzudecken.“

Die Messung niedrig konzentrierter Proteine ​​im Blut wie cTnI ist ein klassisches Nadel-im-Heuhaufen-Problem. Seltene, aussagekräftige Biomarker für Krankheiten werden von gewöhnlichen und diagnostisch nutzlosen Proteinen im Blut völlig überlagert. Aktuelle Methoden verwenden Antikörper, um Proteine ​​in einer komplexen Probe anzureichern und einzufangen, um Proteine ​​zu identifizieren und zu quantifizieren. Aber Antikörper sind teuer, variieren von Charge zu Charge und können zu inkonsistenten Ergebnissen führen.

Um cTnI einzufangen und einige der Einschränkungen von Antikörpern zu überwinden, entwickelten die Forscher Nanopartikel aus Magnetit, einer magnetischen Form von Eisenoxid, und verknüpften sie mit einem Peptid mit einer Länge von 13 Aminosäuren, das speziell für die Bindung an cTnI entwickelt wurde. Das Peptid heftet sich an cTnI in einer Blutprobe und die Nanopartikel können mithilfe eines Magneten gesammelt werden. Nanopartikel und Peptide lassen sich leicht im Labor herstellen, wodurch sie kostengünstig und konsistent sind.

Mithilfe der Nanopartikel konnten die Forscher cTnI in Proben von menschlichem Herzgewebe und Blut effektiv anreichern. Anschließend verwendeten sie fortschrittliche Massenspektrometrie, die verschiedene Proteine ​​anhand ihrer Masse unterscheiden kann, um nicht nur eine genaue Messung von cTnI zu erhalten, sondern auch die verschiedenen modifizierten Formen des Proteins zu beurteilen.

Wie viele Proteine ​​kann cTnI vom Körper abhängig von Faktoren wie einer Grunderkrankung oder Veränderungen in der Umwelt verändert werden. Im Fall von cTnI fügt der Körper eine unterschiedliche Anzahl von Phosphatgruppen hinzu, kleine molekulare Markierungen, die die Funktion von cTnI verändern können. Diese Variationen sind subtil und schwer zu verfolgen.

„Aber mit hochauflösender Massenspektrometrie können wir jetzt diese molekularen Details von Proteinen ‚sehen‘, wie den verborgenen Eisberg unter der Oberfläche“, sagt Ge.

Tiambeng und Roberts beschlossen zu testen, ob sie die verschiedenen Formen von cTnI unterscheiden können, die in Blutproben von Patienten gefunden werden können. Sie versetzten das Blutserum mit Proteinen aus Spenderherzen, die normal, erkrankt oder von einem toten Spender waren. Anschließend nutzten sie ihre Nanopartikel zum Einfangen von cTnI und maßen das Protein mittels Massenspektrometrie.

Wie erhofft konnten die Wissenschaftler deutlich unterschiedliche Muster bei den in jedem Herzgewebetyp vorherrschenden cTnI-Typen beobachten. Die gesunden Herzen hatten beispielsweise tendenziell viel cTnI mit mehreren daran gebundenen Phosphatgruppen, während erkrankte Herzen cTnI mit weniger Phosphat hatten und das postmortale Herz in Stücke zerbrochenes cTnI aufwies.

Auch wenn es sich dabei noch um eine Proof-of-Concept-Studie handelt und weitere Forschung erforderlich sein wird, ist es diese Fähigkeit, ein Muster von cTnI-Variationen mit der Herzgesundheit in Verbindung zu bringen, von der die Forscher hoffen, dass sie eines Tages ein neues Diagnosetool hervorbringen könnte, das Patienten helfen könnte, zu sich zu kommen mit Verdacht auf eine Herzerkrankung ins Krankenhaus.

Die Forscher haben über die Wisconsin Alumni Research Foundation einen Patentantrag für die neue Technologie eingereicht.

„Wir glauben gerne, dass ein zukünftiger Bluttest, der auf unserer Arbeit hier basiert, den aktuellen ELISA-Test ergänzen könnte“, sagt Jin. „Wenn der ELISA in Zukunft einen erhöhten cTnI-Spiegel anzeigt, wird Ihr Arzt möglicherweise einen umfassenden Nanoproteomics-Test anordnen, um festzustellen, ob er durch eine Herzerkrankung verursacht wird oder nicht, und um verschiedene Arten von Herzerkrankungen zu identifizieren, um eine präzisere Behandlung zu ermöglichen und gleichzeitig unnötige Pflege zu vermeiden.“ Kosten für die Patienten.“

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