Nanopartikelsystemet fanger hjertesygdomsbiomarkør fra blod til dybdegående analyse

Forskere ved University of Wisconsin-Madison har udviklet en metode, der kombinerer klæbrige nanopartikler med højpræcisionsproteinmåling for at fange og analysere en fælles markør for hjertesygdomme for at afsløre detaljer, der tidligere var utilgængelige.

Den nye metode, et system kendt som nanoproteomics, effektivt indfanger og måler forskellige former for proteinet hjertetroponin I, eller cTnI, en biomarkør for hjerteskader, der i øjeblikket bruges til at hjælpe med at diagnosticere hjerteanfald og andre hjertesygdomme. En effektiv test af cTnI-variationer kunne en dag give læger en bedre evne til at diagnosticere hjertesygdomme, den største dødsårsag i USA

UW-Madison professor i celle- og regenerativ biologi og kemi Ying Ge, Professor i kemi Song Jin og kemistuderende Timothy Tiambeng og David Roberts ledede arbejdet, som blev offentliggjort 6. august i tidsskriftet Naturkommunikation . Forskerne planlægger nu at bruge deres nye metode til at forbinde de forskellige former for cTnI med specifikke hjertesygdomme som et skridt i retning af at udvikle en ny diagnostisk test.

Læger bruger i øjeblikket en antistofbaseret test kaldet ELISA til at hjælpe med at diagnosticere hjerteanfald baseret på forhøjede niveauer af cTnI i patientens blodprøve. Mens ELISA-testen er følsom, patienter kan have høje niveauer af cTnI i blodet uden at have hjertesygdom, hvilket kan føre til dyre og unødvendige behandlinger for patienterne.

"Så vi vil bruge vores nanoproteomics-system til at se nærmere på flere detaljer på forskellige modificerede former for dette protein i stedet for blot at måle dets koncentration, " siger Ge, som også er direktør for Human Proteomics Program i UW School of Medicine and Public Health. "Det vil hjælpe med at afsløre molekylære fingeraftryk af cTnI fra hver patient til præcisionsmedicin."

Måling af lavkoncentrationsproteiner i blodet som cTnI er et klassisk nål-i-høstak-problem. Sjælden, meningsfulde biomarkører for sygdom er fuldstændig overvældet af almindelige og diagnostisk ubrugelige proteiner i blodet. Nuværende metoder bruger antistoffer til at berige og indfange proteiner i en kompleks prøve for at identificere og kvantificere proteiner. Men antistoffer er dyre, har batch-til-batch variationer, og kan generere inkonsistente resultater.

For at fange cTnI og overvinde nogle af begrænsningerne ved antistoffer, forskerne designet nanopartikler af magnetit, en magnetisk form af jernoxid, og koblede det til et peptid på 13 aminosyrer, der er designet til specifikt at binde til cTnI. Peptidet låser sig fast på cTnI i en blodprøve, og nanopartiklerne kan samles sammen ved hjælp af en magnet. Nanopartikler og peptider fremstilles nemt i laboratoriet, gør dem billige og konsekvente.

Ved hjælp af nanopartikler, forskerne var i stand til effektivt at berige cTnI i prøver af humant hjertevæv og blod. Så brugte de avanceret massespektrometri, som kan skelne forskellige proteiner ved deres masse, for ikke kun at få en nøjagtig måling af cTnI, men også at vurdere de forskellige modificerede former af proteinet.

Ligesom mange proteiner, cTnI kan modificeres af kroppen afhængigt af faktorer som en underliggende sygdom eller ændringer i miljøet. I tilfælde af cTnI, kroppen tilføjer forskellige antal fosfatgrupper, små molekylære tags, der kan ændre funktionen af ​​cTnI. Disse variationer er subtile og svære at spore.

"Men med højopløsnings massespektrometri, vi kan nu 'se' disse molekylære detaljer af proteiner, som det skjulte isbjerg under overfladen, " siger Ge.

Tiambeng og Roberts besluttede at teste, om de kunne skelne mellem de forskellige former for cTnI, der kan findes i patienters blodprøver. De tilsatte blodserum med proteiner fra donorhjerter, der var normale, syge, eller fra en død donor. Derefter brugte de deres nanopartikler til at fange cTnI og målte proteinet ved hjælp af massespektrometri.

Som håbet, forskerne kunne observere tydeligt forskellige mønstre i de typer af cTnI, der er fremherskende i hver type hjertevæv. De raske hjerter havde en tendens til at have masser af cTnI med flere fosfatgrupper knyttet, for eksempel, mens syge hjerter havde cTnI, der havde mindre fosfat, og det post-mortem hjerte havde cTnI brækket i stykker.

Selvom dette stadig er en proof-of-concept undersøgelse, og der vil være behov for mere forskning, det er denne evne til at forbinde et mønster af cTnI-variationer med hjertesundhed, som forskerne håber en dag kan producere et nyt diagnostisk værktøj til at hjælpe, når patienter kommer på hospitalet med mistanke om hjertesygdom. Forskerne har indgivet en patentansøgning på den nye teknologi gennem Wisconsin Alumni Research Foundation.

"Vi vil gerne tro, at en fremtidig blodprøve baseret på vores arbejde her kunne være et supplement til den nuværende ELISA-test, " siger Jin. "I fremtiden, når ELISA viser et forhøjet cTnI-niveau, din læge vil muligvis bestille en omfattende nanoproteomisk test for at afgøre, om den er forårsaget af hjertesygdom eller ej, og identificere forskellige typer hjertesygdomme, for mere præcis behandling og samtidig undgå unødig pleje og udgifter til patienterne".