新しいナノ粒子技術で捕捉された心臓病のバイオマーカー

出典: カテリーナ・コン/サイエンス・フォト・ライブラリー/ゲッティイメージズ

ウィスコンシン大学マディソン校（UW-マディソン）の科学者らは、粘着性のナノ粒子と高精度のタンパク質測定を組み合わせて、心臓病の一般的なマーカーを捕捉して分析し、これまでアクセスできなかった詳細を明らかにする技術を開発したと発表した。

ナノプロテオミクスという新しい方法は、心臓発作やその他の心臓疾患の診断に現在使用されている心臓損傷のバイオマーカーである心筋トロポニンI（cTnI）タンパク質のさまざまな形態を効果的に捕捉し、測定するものであると研究チームは発表した。 cTnIの変動により、いつか医師が米国の主な死因である心臓病を診断する能力が向上する可能性がある

カリフォルニア大学マディソン・イン・ゲ博士（細胞生物学および再生生物学および化学教授）、ソン・ジン博士（化学教授）、および化学大学院生のティモシー・ティアンベン氏とデイビッド・ロバーツ氏が研究を主導しました。「ナノプロテオミクスにより、低存在量タンパク質のプロテオフォーム分解分析が可能になる」ヒト血清中」は、Nature Communications に掲載されました。 研究者らは現在、新しい診断検査の開発に向けたステップとして、新しい方法を使用して、さまざまな形態のcTnIを特定の心臓病と関連付けることを計画している。

「トップダウン質量分析 (MS) ベースのプロテオミクスは、プロテオフォームの包括的な分析を提供し、タンパク質機能のプロテオーム全体の理解を達成します。しかし、血液中の低濃度タンパク質の MS 検出は、並外れた動的な性質のため、未解決の課題のままです。ここでは、ゴールドスタンダードの心臓バイオマーカーである心筋トロポニン I (cTnI) の濃縮と包括的な分析を直接行うために、ペプチド官能化超常磁性ナノ粒子 (NP) とトップダウン MS を組み合わせた統合ナノプロテオミクス手法を開発します。血清から」と研究者らは書いている。

「これらの NP により、高い特異性と再現性で cTnI (<1 ng/mL) を高感度に濃縮できると同時に、ヒト血清アルブミンなどの非常に豊富なタンパク質 (cTnI よりも 1010 以上多い) を枯渇させることができます。私たちは、トップダウンのナノプロテオミクスがプロテオフォームと病態生理学との関係を確立するために、多様な cTnI プロテオフォームの高解像度のプロテオフォーム分解分子フィンガープリントを提供します。」

「このスケーラブルで再現性のある抗体フリー戦略により、通常、血清から直接低濃度タンパク質をプロテオフォーム分解分析して、これまで達成できなかった分子の詳細を明らかにすることが可能になります。」

医師は現在、患者の血液サンプル中の cTnI レベルの上昇に基づいて心臓発作を診断するために、抗体ベースの ELISA 検査を使用しています。 ELISA 検査は感度が高い一方で、心臓病がなくても患者の血中に高レベルの cTnI が存在する可能性があり、これが患者にとって高価で不必要な治療につながる可能性があります。

「そこで、私たちはナノプロテオミクスシステムを使って、タンパク質の濃度を測定するだけではなく、このタンパク質のさまざまな修飾形態をより詳細に調べたいと考えています」と、ウィスコンシン大学医学部公衆衛生大学院のヒトプロテオミクスプログラムのディレクターでもあるゲー氏は言う。 。 「これは、精密医療のために各患者からのcTnIの分子指紋を明らかにするのに役立ちます。」

cTnI などの血液中の低濃度タンパク質の測定は、干し草の山に針を刺すような典型的な問題です。 まれで意味のある病気のバイオマーカーは、血液中の一般的で診断的に役に立たないタンパク質によって完全に圧倒されます。 現在の方法では、抗体を使用して複雑なサンプル内のタンパク質を濃縮および捕捉し、タンパク質を同定および定量します。 しかし、抗体は高価で、バッチごとにばらつきがあり、一貫性のない結果が生じる可能性があります。

cTnIを捕捉し、抗体の限界の一部を克服するために、研究者らは酸化鉄の磁性体であるマグネタイトのナノ粒子を設計し、それをcTnIに特異的に結合するように設計された13アミノ酸長のペプチドに結合させた。 このペプチドは血液サンプル中の cTnI に吸着し、磁石を使用してナノ粒子を集めることができます。 ナノ粒子とペプチドは研究室で簡単に製造できるため、安価で安定したものになります。

研究者らは、ナノ粒子を使用して、ヒトの心臓組織と血液のサンプル中の cTnI を効果的に濃縮することができました。 次に、質量によってさまざまなタンパク質を区別できる高度な質量分析法を使用して、cTnI の正確な測定値を取得するだけでなく、タンパク質のさまざまな修飾形態も評価しました。

多くのタンパク質と同様に、cTnI は基礎疾患や環境の変化などの要因に応じて体内で修飾される可能性があります。 cTnI の場合、体は cTnI の機能を変化させる可能性のある低分子タグであるリン酸基をさまざまな数追加します。 これらの変化は微妙であり、追跡するのが困難です。

「しかし、高分解能質量分析法を使用すると、表面の下に隠れた氷山のように、タンパク質の分子の詳細を「見る」ことができるようになりました」と Ge 氏は言います。

Tiambeng と Roberts は、患者の血液サンプル中に見つかるさまざまな形態の cTnI を区別できるかどうかをテストすることにしました。 彼らは、正常なドナー心臓、病気のドナー心臓、または死亡したドナーの心臓から採取したタンパク質を血清に添加した。 次に、ナノ粒子を使用して cTnI を捕捉し、質量分析法を使用してタンパク質を測定しました。

期待どおり、科学者らは、心臓組織のそれぞれのタイプに蔓延する cTnI のタイプに、明らかに異なるパターンを観察することができました。 たとえば、健康な心臓には複数のリン酸基が結合した cTnI が多く含まれる傾向がありましたが、病気の心臓にはリン酸基が少ない cTnI があり、死後の心臓には cTnI がばらばらに壊れていました。

これはまだ概念実証研究であり、さらなる研究が必要であるが、cTnI 変動のパターンと心臓の健康を関連付けるこの能力により、研究者らは、いつか患者が症状を訴えたときに役立つ新しい診断ツールを生み出すことができると期待している。心臓病の疑いで病院へ。

研究者らは、ウィスコンシン同窓会研究財団を通じてこの新技術に関する特許を申請した。

「ここでの私たちの研究に基づいた将来の血液検査は、現在のELISA検査を補完するものになる可能性があると考えています」とJin氏は言います。 「将来的には、ELISAでcTnIレベルの上昇が示された場合、医師は、不必要なケアや治療を避けながらより正確な治療を行うために、それが心臓病によるものかどうかを判断し、さまざまな種類の心臓病を特定するための包括的なナノプロテオミクス検査を指示するかもしれません。患者の負担となる。」

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