Revurdering af, hvad vi kan forvente af peptider i sygdomsdetektion

På baggrund af blodprøver er det muligt at opdage sjældne genetiske sygdomme, genkende kræft eller bestemme betændelsesniveauet i kroppen. På grund af den hurtige udvikling af medicinsk diagnostik baseret på biovæskeanalyse bliver der ydermere gjort mange bestræbelser på verdensplan for at tilpasse medicinske tilgange, hvilket gør personlig medicin til paradigmet for fremtidens sundhedspleje.

I denne retning præsenterede forskere ved Institut for Fysisk Kemi ved Det Polske Videnskabsakademi (IPC PAS) deres forskning i unikke peptider til brug i nye sensorer til hurtig og enkel påvisning af mange sygdomme.

Inflammation er kroppens naturlige forsvarsmekanisme mod patogener eller skadelige kemikalier, der forårsager akutte symptomer som smerte, hævelse, rødme eller blå mærker. Denne mekanisme involverer kroppens intense produktion af specifikke molekyler, såsom cytokiner, som bruges mod infektion, og inflammation kan let diagnosticeres med sådanne symptomer.

Nogle betændelsesreaktioner er dog ikke synlige og kan vare meget længere end en pludselig infektion. Hvis inflammatoriske celler forbliver i lang tid, kan der udvikles kronisk inflammation. Kronisk betændelse kan indikere en række sundhedsproblemer, herunder autoimmune sygdomme og kræftformer, som er svære at overvinde.

Påvisning af betændelsesprocessen i kroppen kan nemt udføres fra blodet, mens overvågningen af ​​inflammationsforløbet er en helt anden historie. Normalt evalueres infektionsraten ved at fokusere på niveauet af C-reaktivt protein kendt som CRP, en almindelig tidligt stigende biomarkør for forskellige inflammatoriske tilstande i kroppen.

Dets udseende i plasma er baseret på kroppens reaktion på det øgede cytokinniveau under inflammation, når leveren producerer CRP. Dens niveau kan også skelne inflammation årsag; f.eks. kan stigningen i CRP-niveau relateres til virusinfektioner, mens meget høj er karakteristisk for bakterielle infektioner.

Blodniveauerne af dette ringformede molekyle ændrer sig hurtigt og udtalt med ethvert inflammationsforsvar, ikke kun for infektioner, men også som en reaktion på vævsskader, der også udløser betændelse i alle typer væv. Indtil videre kan overvågningen af ​​CRP-niveauer levere værdifuld og præcis information om sygdomsforløbet.

Efter dette felt undersøgte en forsker fra IPC PAS, Dr. Katarzyna Szot-Karpińska, protein-peptid-interaktionerne, især mellem CRP og CRP-bindende materialer. Hun fokuserede på peptider på grund af deres højere stabilitet under barske forhold til nedbrydning, lavere omkostninger og muligheden for mere effektiv brug i biomedicinske sensorer end antistoffer, som er de mest almindelige CRP-receptorer.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Analytical Chemistry , brugte forskerne en fag-display-metode til at identificere CRP-bindende fager. Identifikation af sådanne fager muliggør bestemmelse af sekvensen af ​​peptider, der er eksponeret på overfladen af ​​fagerne med en høj affinitet over for CRP.

En vigtig drivkraft for undersøgelsen var spørgsmålet om overvågning af langvarig inflammation ved hjælp af en elektrokemisk platform modificeret med stabile molekyler som et alternativ til antistoffer. De udvalgte peptider blev syntetiseret og fuldt karakteriseret, og deres interaktioner med CRP blev undersøgt, hvilket resulterede i identifikation af de tre mest lovende fag-afledte CRP-bindende molekyler.

Peptidet med den højeste affinitet til CRP blev immobiliseret på elektroder til senere brug som en elektrokemisk CRP-sensor. Biologiske og fysisk-kemiske teknikker blev brugt til at forstå mekanismerne for protein-peptid- og protein-peptid-interaktioner.

Dr. Katarzyna Szot-Karpińska, en videnskabsmand, der arbejder på dette projekt, sagde:"I vores undersøgelser viste vi for første gang, at et enkelt 12-mer peptid identificeret fra et fagbibliotek er blevet brugt til CRP-genkendelse. De identificerede peptider blev karakteriseret, og deres interaktioner med CRP blev undersøgt med henblik på anvendelse i en sensorplatform, der viser den nye tilgang til biomedicinsk sensorudvikling."

Resultaterne var overraskende og viste et nyt felt for elektrokemisk forskning. Det nye materiale på elektroden viste op til to størrelsesordener højere affinitet for CRP end de antistoffer, der blev brugt i ELISA. Derudover var detektionseffektiviteten lovende for det udvalgte peptid, selv i nærvær af tre interfererende proteiner. Desuden var der ikke behov for yderligere kemikalier, hvilket gør påvisningen mere miljøvenlig end med klassiske teknikker.

Derudover blev de teoretiske simuleringer, inklusive beregningsmodelleringsanalyser udført i samarbejde med prof. Sławomir Filipek fra Warszawa Universitet, implementeret for at komplementere de biologiske og fysisk-kemiske undersøgelser og leverede overraskende resultater.

I silico-undersøgelser forklarede de specifikke forhold ved bindingen af ​​bestemte peptider til CRP. Resultaterne viser, hvilket peptid fra en liste over muligheder, der er det bedste CRP-bindemiddel og bekræfter den eksperimentelle undersøgelse. Hidtil har en kombination af eksperimentelle og teoretiske undersøgelser optimeret screeningsprocessen og derved accelereret forskningen.

"Værdien af ​​dette arbejde er integrationen af ​​eksperimentelle metoder med beregningsmodelleringsanalyse. Modelleringen fra kendte aminosyresekvenser af peptider bekræfter, at P3-peptidet er det bedste bindemiddel til CRP. En sådan kombineret tilgang er ikke tidligere blevet rapporteret og demonstrerer hvordan numeriske metoder/in silico-analyse kan erstatte eller forbedre besværlige eksperimentelle teknikker."

"Brug af molekylær docking til at identificere de bedste bindemidler eliminerer anvendelsen af ​​kemikalier, hvilket er afgørende for at udvikle grønnere kemi. Denne undersøgelse validerer den numeriske tilgang til identifikation af peptidbindingsegenskaber og repræsenterer et vigtigt skridt på vejen mod peptidbaserede sensorer. Desuden, Hvis vi ved, hvordan dockingen fungerer, kunne vi i fremtiden skræddersy sekvensen af ​​peptidet ved at ændre for eksempel en af ​​aminosyrerne for at opnå det bedste bindingsmolekyle til det undersøgte mål, som sygdomsbiomarkører," siger Dr. Szot Karpińska

En sådan beregningsmæssig tilgang til CRP-sensing ved hjælp af peptider er aldrig blevet beskrevet før, og den illustrerer en ny tendens inden for forskning, hvor beregninger kan understøtte besværlige eksperimentelle teknikker.

Den foreslåede metode muliggør overvågning af inflammationsforløbet, hvilket gør det muligt at kontrollere CRP-niveauet selektivt og følsomt ved hjælp af meget mindre og mere stabile molekyler, end der anvendes i dag. Dette arbejde ville ikke være muligt uden at involvere mange forskellige metoder og teknikker fra forskellige områder, hvilket beviser det dybe behov for tværfaglighed i videnskaben, især inden for sundhedsbeskyttelse.

Det viser vigtigheden af ​​at kombinere eksperimentelle undersøgelser med en dybdegående undersøgelse af intermolekylære interaktioner. Den beskrevne forskning kan være en game-changer inden for inflammationsdiagnostik og -behandling, især i tilfælde af langvarige inflammationskurser eller endda nye lab-on-the-chip-enheder til personlig medicin, lægemiddeludvikling og lægemiddellevering. Holdet leder efter nye receptorer for sygdomsmarkører og nye løsninger til at studere molekylære interaktioner.

Flere oplysninger: Katarzyna Szot-Karpińska et al., Undersøgelse af peptider til molekylær genkendelse af C-reaktivt protein – teoretiske og eksperimentelle undersøgelser, Analytisk kemi (2023). DOI:10.1021/acs.analchem.3c03127

Journaloplysninger: Analytisk kemi

Leveret af det polske videnskabsakademi