Methodenentwicklung
Proteomische Methoden für klinische Fragestellungen
Proteom-Analysen mittel Massenspektrometrie
Neben der Identifizierung krankheitsrelevanter Protein-Biomarker für neurodegenerative Erkrankungen sowie Krebserkrankungen steht die Identifizierung zugrundeliegender molekularer und biochemischer Mechanismen im Fokus der Forschungsarbeiten des Kompetenzbereichs Medizinische Proteomanalyse. Speziell für die Identifizierung von Protein-Biomarkern ist die Proteom-Analyse ein viel verwendeter Ansatz. Das Proteom stellt die Gesamtheit der exprimierten Proteine einer Zelle, eines Organismus oder einer Körperflüssigkeit unter genau definierten Bedingungen zu einem bestimmten Zeitpunkt dar. Im Gegensatz zur DNA im Genom ist das Proteom sehr dynamisch, da die Proteinexpression von vielen äußeren Faktoren wie Stoffwechsellage oder Umweltfaktoren beeinflusst und in Abhängigkeit dieser Faktoren ein bestimmtes Proteinmuster exprimiert wird. In einer Zelle werden nicht alle Gene gleichzeitig angeschaltet und in Proteine übersetzt. Dadurch ergeben sich für Organismen aber auch für Organe sowie Zellen und einzelne Körperflüssigkeiten spezifische Proteomprofile, die eine gezielte Analyse erlauben, welche als Proteomik bekannt ist. Schlüsseltechnologie für die Proteomik ist die Kombination von Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie, mit der mehrere tausend Proteine in wenigen Stunden in einer einzelnen komplexen Probe identifiziert werden können. Somit ermöglicht und die Proteomforschung einen globalen Überblick über Prozesse zu erhalten, die gesunden und kranken zellulären Abläufen auf Proteinebene zugrunde liegen.
Im Kompetenzbereich Medizinische Proteomanalyse verwenden wir für Proteom-Analysen state of the art Massenspektrometer. Hervorzuheben ist hierbei das im Rahmen des Forschungsbau Prodi angeschaffte hochleistungsfähiges Orbitrap Fusion Lumos Tribrid Massenspektrometer der Firma Thermo Scientific, dass wir für anspruchsvolle Anwendungen nutzen.
Die Proteomforschung bietet uns für klinische Fragestellungen einen globalen Blick auf Prozesse, die gesunden und kranken zellulären Vorgängen auf Proteinebene entsprechen und bietet somit die Möglichkeit folgende Aspekte zu untersuchen:
Protein-Identifizierung
Hier werden alle Proteine in einer untersuchten Probe identifiziert. Welche Proteine werden unter normalen Bedingungen in einem bestimmten Zelltyp, Gewebe oder Körperflüssigkeit gebildet?
Protein-Quantifizierung
Hier erfolgt eine Analyse der (gesamte) Proteinabundanz in einem bestimmten Zelltyp, Gewebe oder Körperflüssigkeit. Welche Proteine sind differenziell exprimiert?
Posttranslationale Modifikationen
Hier suchen wir nach Krankheits-relevanten Modifikationen an Proteinen. Trägt ein Protein eine spezifische posttranslationale Modifikationen?
Protein-Lokalisierung
Hier geht es darum, ein Protein innerhalb der Zelle/eines Gewebes zu lokalisieren. Wo wird ein Protein gebildet wird und/oder reichert sich an?
Funktionelle Proteomik
Hier identifizieren wir die biologische Funktionen bestimmter einzelner Proteine, Protein-Klassen oder ganzer Proteininteraktionsnetzwerke. Wie ändert sich die Funktion eines Proteins abhängig von seiner Menge, Modifikation, Lokalisation oder seinem Netzwerk?
Protein-Protein-Wechselwirkungen
Hier schauen wir uns Änderungen in einem Proteinnetzwerk abhängig vom Krankheitszustand an. Welche Proteine interagieren miteinander (z.B. wann und wo)?
Abbildung 2: Prinzip der Datenerfassung, Auswertung und Arbeitsablauf für die gezielte Proteomik-Quantifizierung.
Optimierung der Biomarker-Detektion
Um eine rechtzeitige aber auch spezifische klinische Diagnostik zu ermöglichen und somit präventive Handlungsmöglichkeiten veranlassen zu können, besteht ein besonderes Interesse an dem Bedarf von sensitiven, spezifischen und zuverlässigen Methoden für die Detektion von Biomarkern. Eines unserer Forschungsziele ist es für bereits bekannte, mit den Krankheiten assoziierte Protein-Biomarker (wie z.B. Amyloid-β Peptide, Tau oder Alpha-Synukein für neurodegenerative Erkrankung oder AHNAK2 für Blasenkrebs) Methoden zu entwickeln bzw. zu optimieren, mit dem Fokus auf eine reproduzierbare und robuste Analyse. Hierfür verwenden wir einen gezielten proteomischen Ansatz der eine spezifische sowie sensitive Detektion erlaubt.
Beispiel: Detektion von Amyloid-β Peptide
Amyloid-β Peptide sind seit Jahrzehnten im Fokus der Alzheimer-Forschung und seit 2011 als Liquor Biomarker im Rahmen der Alzheimer-Diagnose freigegeben. Jedoch stellt die die niedrige Konzentration der Peptide eine Herausforderung für die modernen Techniken zur Quantifizierung dar. Daher besteht ein großer Bedarf an robusten und sensitiven Amyloid-β –Quantifizierungs-Methoden in Körperflüssigkeiten wie Liquor und Plasma. Zudem gibt es zunehmend Hinweise, dass verkürzte Formen von Amyloid-β Peptiden eine zentrale Rolle bei der Alzheimer-Krankheit spielen. Im Kompetenzbereich Medizinische Proteomanalyse optimieren und entwickeln wir Massenspektrometrie-basierte Verfahren für die Detektion von Amyloid-β Peptiden, dabei liegt der Fokus unter anderen auf der optimieren von bereits anwendbaren Detektionsmethoden (HPLC-MS) und zudem auf er Entwicklung einer neuen innovativen Quantifizierungsmethode unter Verwendung der Infusions-Massenspektrometrie.
