Forskere udvikler nemmere og hurtigere måde at kvantificere, udforske terapeutiske proteiner

Forskere ved New Jersey Institute of Technology i samarbejde med Ohio University og Merck &Co. Inc. har for nylig udviklet en ny effektiv metode til målrettet proteinanalyse - en de siger kunne fremskynde processer til sygdomstestning, lægemiddelopdagelse og vaccineudvikling.

Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet Analytisk kemi , fremhæver holdets nye coulometric massespektrometriske (CMS) tilgang til bestemmelse af mængden af ​​proteiner i biologiske prøver, potentielt åbne nye døre for at udforske proteiner i den menneskelige krop, som kun kan udtrykkes i lave niveauer, men som kunne tjene vigtige biologiske funktioner eller roller som sygdomsbiomarkører, lægemiddelmål eller terapeutiske antistoffer.

Forskere siger, at den nye massespektrometri og elektrokemi-baserede tilgang - der er i stand til nøjagtigt at kvantificere et spektrum af små proteiner til store monoklonale antistoflægemidler - er et fremskridt i forhold til nuværende metoder inden for absolut proteinkvantificering, som typisk kræver tidskrævende og kostbar klargøring af syntetiseret standardmateriale til analyse.

"Måling af de molekylære ændringer i sygdomsassocierede processer og veje er afgørende for vores forståelse af patogenese og opdagelse af nye biomarkører til diagnose og behandling af sygdomme, " sagde Hao Chen, professor ved NJIT's Institut for Kemi og Miljøvidenskab, og den tilsvarende forfatter til papiret. "Med vores nye metode, Vi har vist, at vi kan kvantificere en række biomolekyler præcist og hurtigt."

"Denne tilgang kunne gavne en række biovidenskabelig forskning, herunder bekæmpelse af COVID-19-pandemien, for eksempel, da det kunne bruges til hurtigere at kvantificere forskellige antistoffer fra patienter til probe infektionsstadiet og til at hjælpe vaccineudvikling, " tilføjede Chen.

I proteomik, massespektrometrianalyse kan tilbyde forskere en måde at kvantificere tusindvis af proteiner i et enkelt eksperiment, under forskellige forhold eller stimuli. Det kan også bruges til at hjælpe med at afdække detaljer om, hvordan visse proteiner fungerer, interagerer og ændrer sig over tid i sunde og sygdomscelletilstande, og kan afsløre mere om niveauændringer af antistoffer produceret af immunsystemet for at bekæmpe antigener, såsom virus eller bakterier.

Pengyi Zhao, en ph.d. forsker i Chens laboratorium og første forfatter til papiret, siger, at proteinkvantificering typisk er blevet udført gennem væskekromatografi-massespektrometrimetoder, der involverer fremstilling af syntetiske isotop-mærkede peptider. Disse mærkede peptider tilsættes sædvanligvis i kendt koncentration i prøver for at hjælpe med at bestemme mængden af ​​et protein af interesse baseret på intensiteten af ​​proteinets associerede peptider i forhold til de tilføjede standarder. "Udgiften og tiden det tager at syntetisere disse isotopmærkede peptidstandarder er et stort problem, der hindrer kvantitativ analyse i forskning og lægemiddeludvikling, " forklarede Zhao.

Chen siger, at holdets nye CMS-tilgang i stedet kvantificerer proteiner baseret på den elektrokemiske signatur, der produceres under massespektrometrianalyse. "I denne metode, Absolut proteinkvantificering er baseret på den elektrokemiske oxidation af et surrogatpeptid fra målprotein kombineret med massespektrometrisk måling af oxidationsudbyttet ... dette gennembrud åbner en ny dør til at undersøge mange proteiner, hvor ingen standard er tilgængelig for analyse."

Holdet demonstrerede deres nye metode ved at analysere flere proteiner såsom modelproteiner β-kasein og apomyoglobin. I samarbejde med Yong-Ick Kims forskningsgruppe på NJIT, de har også med succes kvantificeret et nøgleprotein involveret i det cirkadiske ur, kaldet KaiB. Holdet brugte tyrosinholdige peptider som surrogatpeptider til kvantificering, at finde resultaterne af CMS-analysen sammenlignelige i nøjagtighed med resultaterne produceret af traditionelle isotop-mærkningsmetoder generelt.

"I øjeblikket, gennem dette proof-of-concept har vi vist, at denne metode nøjagtigt kan kvantificere forskellige proteiner fra apomyoglobin til terapeutiske antistoffer, " sagde Chen. "Da vores metode ikke kræver standarder, det ville muliggøre en storstilet absolut kvantificeringsanalyse af proteiner i blod, væv, eller organer, som ellers ville have brug for tusindvis af dyre tunge isotop-mærkede peptidstandarder. I de næste trin, vi vil anvende denne nye metode til proteinkvantificering i stor skala i forskellige biologiske prøver, til opdagelse af sygdomsbiomarkører."