Es wird ein Protokoll zur Bestimmung von Biomarkern mit geringer Abundanz aus getrockneten Serumproben vorgestellt, das am Beispiel des Biomarkers Progastrin-freisetzendes Peptid (ProGRP) veranschaulicht wird. Antikörperbeschichtete magnetische Beads werden zur selektiven Aufreinigung und Anreicherung eines proteotypischen ProGRP-Peptids verwendet. Das eingefangene Peptid wird anschließend mittels Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie analysiert.
In diesem Artikel wird ein Protokoll mit detaillierten Beschreibungen für die effiziente Probenreinigung von Proteinen mit geringer Häufigkeit aus getrockneten Proben vorgestellt. Dies wird unter Verwendung einer Bead-basierten Proteolyse vor der proteotypischen Peptidaffinitätserfassung und der Bestimmung der Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) durchgeführt. Das Verfahren kann sowohl auf konventionelle getrocknete Proben mit Papierkarten (z. B. getrocknete Blutflecken [DBS] und getrocknete Serumflecken [DSS]) als auch auf Proben angewendet werden, die mit neueren Probenahmemethoden wie der volumetrischen absorbierenden Mikroprobenahme (VAMS) entnommen wurden. Neben der Beschreibung dieses Verfahrens wird in dieser Arbeit Schritt für Schritt die Herstellung sowohl von Trypsin-Beads als auch von Antikörper-beschichteten Beads vorgestellt. Die Vorteile des vorgestellten Verfahrens sind die zeiteffiziente Proteolyse mit Beads und die selektive robuste Aufreinigung mittels Peptidaffinitäts-Capture. Das aktuelle Verfahren beschreibt die Bestimmung des Biomarkers für kleinzelliges Lungenkarzinom (SCLC) mit geringer Abundanz, Progastrin-Releasing-Peptid (ProGRP), in getrocknetem Serum (sowohl DSS als auch VAMS). Detaillierte Verfahren zur Perlenvorbereitung erleichtern die Implementierung des Workflows in neuen Anwendungen oder anderen Laboren. Es wird gezeigt, dass die Ergebnisse vom Probenahmematerial abhängen können; Für das vorliegende Projekt wurden höhere Signalintensitäten für Proben beobachtet, die mit VAMS im Vergleich zu DSS gesammelt wurden.
Microsampling gibt es seit mehr als 100 Jahren, seit Ivar Bang 1913 die Glukoseüberwachung von DBS beschrieb1. Nachdem Guthrie und Susi 1963 DBS zur Bestimmung von Phenylalanin bei Neugeborenen2 eingeführt hatten, hat sich die Technik zunehmend verbreitet. Die ersten Berichte über DBS für die Probenahme und Lagerung von Proteinen wurden in den frühen 1970er Jahrengemacht 3,4, und ein Jahrzehnt später, in den 1980er Jahren, fanden wir den ersten Bericht über Massenspektrometrie (MS) zur Bestimmung von Proteinen aus DBS5. Trotz dieser frühen Einführung setzte sich die MS-Bestimmung von Proteinen aus DBS und anderen Mikrosampling-Techniken erst nach der Jahrhundertwende durch.
Im klinischen Kontext ist es von Interesse, Proteine in der Diagnose und Nachsorge von Krankheiten sowie für die Therapieüberwachung und Dopingzwecke zu bestimmen. Diese gezielte Bestimmung von Proteinanalyten mittels MS aus kleinen Mengen getrockneter Proben ist nach wie vor eine Herausforderung und erfordert oft eine umfangreiche Probenvorbereitung vor der Analyse.
Die gezielte quantitative Bestimmung von Proteinen durch MS wird üblicherweise durch Anwendung des Bottom-up-Ansatzes durchgeführt, bei dem die Proteine vor der Analyse zu Peptiden verdaut werden. Dieses Verfahren erzeugt eine Vielzahl von Peptiden, was die direkte Analyse der verdauten biologischen Probe schwierig macht. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht darin, vor der MS-Analyse entweder vor oder nach dem Aufschluss einen selektiven Affinitätsreinigungsschritt anzuwenden 6,7,8. Auf diese Weise wird das interessierende Protein (oder sein proteotypisches Peptid, wenn der Affinitätserfassungsschritt nach dem Aufschluss durchgeführt wird) vor der Analyse selektiv aus der Probenmatrix isoliert, wodurch niedrigere Nachweisgrenzen bereitgestellt werden9.
Die Mikroprobenahme mit DBS-Karten hat im Vergleich zu herkömmlichen Blutproben bestimmte Vorteile, darunter ein geringes Probenvolumen, eine weniger invasive Probenahme und eine erhöhte Lagerstabilität. Die Probenmatrix ist jedoch anders und kann andere Herausforderungen in der Analyse mit sich bringen (z. B. getrocknete vs. flüssige Probenmatrix und Kapillarblut vs. Serum oder Plasma)10,11. Eine weitere Herausforderung, die bei DBS beobachtet wird, ist der sogenannte Hämatokrit-Effekt, bei dem der Bluthämatokrit das für die Analyse weiterverarbeitete Probenvolumen beeinflusst und somit eine interindividuelle Variabilität in der Analyse einführt12. Neuere Mikroprobenahmeeinheiten, wie z. B. VAMS, die 2014 eingeführtwurden 13, lösen dieses Problem, indem sie ein festes Blutvolumen anstelle eines Blutstropfens sammeln.
Dieses Protokoll beschreibt einen Aufbau für die Analyse von Biomarkern mit geringer Abundanz aus getrockneten Mikroproben. Nach der Elution wird die getrocknete Probe verdaut und anschließend das proteotypische Peptid durch Peptidaffinitätserfassung isoliert. Der Modellanalyt ist der SCLC-Biomarker ProGRP. Da ProGRP nicht zuverlässig aus Vollblut bestimmt werden kann, wurde Serum als Probenmatrix verwendet. Repräsentative Ergebnisse sowohl von DSS als auch von Serumproben, die mit VAMS gesammelt wurden, werden gezeigt.
Das beschriebene Protokoll enthält Informationen darüber, wie mehrere wichtige Schritte bei der Analyse von Biomarkern mit geringer Abundanz aus getrockneten Mikroproben (DSS und VAMS) durchgeführt werden können, einschließlich der Herstellung von Trypsinkügelchen und Antikörper-beschichteten Magnetkügelchen. Aufgrund früherer Erfahrungen behandeln wir den Antikörper vor der Bead-Immobilisierung immer mit Säure, um die Orientierung der Antikörper zu verbessern15.
Einer der entscheidenden Schritte in diesem Verfahren ist die Auswahl des am besten geeigneten Microsampling-Formats. Zunächst muss man überlegen, ob der betreffende Analyt aus Vollblut bestimmt werden kann oder ob die Konzentration von den Blutzellen beeinflusst wird und im Serum oder Plasma bestimmt werden muss (wie beim Modellanalyten ProGRP).
Sowohl papier- als auch polymerbasierte Ansätze haben Vor- und Nachteile; Für ProGRP bietet VAMS einen klaren Vorteil in Bezug auf die Analytrückgewinnung nach der Extraktion aus dem Probenehmer. Dies kann jedoch wahrscheinlich mit einer anderen Extraktionslösung für die DSS-Proben optimiert werden. Nichtsdestotrotz ist es wichtig, diese potenzielle Wechselwirkung zwischen dem Analyten und dem Probenahmematerial zu berücksichtigen, da sie zu einer erhöhten analytischen Variation und höheren Nachweisgrenzen führen kann. Da es sich bei dem verwendeten IS um ein SIL-Peptid handelt, das erst nach dem Aufschluss zugesetzt wird, korrigiert IS die Schritte nach dem Aufschluss (z. B. Affinitätsextraktion und LC-MS/MS-Analyse). Eine IS-Korrektur ist für die Extraktion aus DSS/VAMS und den Aufschlussschritt nicht möglich.
Bei dem Verfahren werden zwei Arten von Kügelchen verwendet: Trypsinkügelchen für die Verdauung nach Extraktion der Serumprobe aus dem Probenehmer und Antikörper-beschichtete Magnetkügelchen für die Erfassung des proteotypischen Peptids nach der Verdauung. Ein Hauptgrund für die Verwendung von Trypsin-Kügelchen ist neben der Beschleunigung des Aufschlusses die Minimierung der verbleibenden Trypsinaktivität in der Probe während der Affinitätserfassung. Dies ist wichtig, um eine tryptische Proteolyse des mAb während der Affinitätserfassung zu vermeiden.
Agarosekügelchen wurden zur Herstellung der Trypsinkügelchen verwendet, während magnetische Kügelchen zur Herstellung der mit Antikörpern beschichteten Kügelchen verwendet wurden. Agarosekügelchen sind kostengünstiger als magnetische Kügelchen, haben jedoch die Einschränkung, dass die Trennung der Kügelchen von der Lösung eine Zentrifugation erfordert. Dies macht die Trennung von Perlen und Überstand weniger effizient als bei der Verwendung von magnetischen Perlen. Darüber hinaus ist die Automatisierung des Arbeitsablaufs mit Agaroseperlen schwierig. Magnetische NHS-aktivierte Kügelchen sind jedoch verfügbar und können für einen optimierten und automatisierbaren Probenvorbereitungsablauf verwendet werden.
Microsampling ist ein wichtiger Trend in der Bioanalytik von Medikamenten und Biomarkern. Eine Herausforderung beim derzeitigen Ansatz ist die begrenzte Menge an Probenvolumen (10 μl), die bei der Bestimmung von Analyten mit sehr geringer Abundanz wie ProGRP (pg/ml-niedriger ng/ml-Spiegel) von besonderer Bedeutung sein kann. Diese Herausforderung kann jedoch mit modernsten Analysegeräten umgangen werden. Für diese Analyten mit geringer Abundanz ist die Wahl der Probenvorbereitung entscheidend, und eine selektive Probenreinigung durch antikörperbasierte Affinitätserfassung ist am häufigsten erforderlich. Da gezeigt wurde, dass die Peptiderfassung sauberere Extrakte und niedrigere Nachweisgrenzen liefert als die Proteineinfangung (unter Verwendung desselben Antikörpers)14, konzentriert sich die vorliegende Methode auf diesen Ansatz in Kombination mit Mikroprobenahme. Ein weiterer Vorteil des Peptid-Capture-Ansatzes besteht darin, dass das IS-SIL-Peptid auch den Affinitäts-Capture-Schritt korrigiert.
In dieser Arbeit wurde ein Antikörper, der auf ein Protein abzielt, für den Peptideinfang verwendet. Dies ist ein Vorteil, da die Verfügbarkeit von Standard-Antikörpern, die auf Proteine abzielen, höher ist als die von Standard-Antikörpern, die auf proteotypische Peptide abzielen. Damit ein Anti-Protein-Antikörper jedoch ein proteotypisches Peptid effizient einfangen kann, muss das Epitop nach der Proteinverdauung intakt sein. Hinzu kommt, dass bei vielen Antikörpern das genaue Epitop nicht bekannt ist, was die Suche nach einem Anti-Protein-Antikörper mühsam macht. Dies begrenzt die Anzahl der verfügbaren Anti-Protein-Antikörper, die für den Peptideinfang geeignet sind. Das beschriebene Verfahren wird unter Verwendung von Serum als Matrix und ProGRP als Zielanalyt demonstriert. Das Verfahren soll auf andere Matrizen und andere Zielanalyten anwendbar sein. Anstatt einen kommerziell erhältlichen Anti-Protein-Antikörper für die Affinitätserfassung des proteotypischen Peptids zu verwenden, ist es möglich, auch maßgeschneiderte Anti-Peptid-Antikörper zu verwenden. Die Aufreinigungseffizienz der Peptiderfassung im Vergleich zur Proteineinfang ist in Abbildung 5 dargestellt. Durch den Austausch der Agarosekügelchen, die für die Herstellung von Trypsinkügelchen verwendet werden, gegen magnetische Kügelchen soll das Verfahren auch mit robotergestützten Probenvorbereitungsarbeitsplätzen auf dem Markt kompatibel sein.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Prof. Elisabeth Paus vom Norwegian Radium Hospital (Oslo University Hospital, Oslo, Norwegen) für die Bereitstellung des ProGRP-Standards und des monoklonalen Anti-ProGRP-Antikörpers M18. Die Publikationsgebühr wurde durch ein Stipendium des Apotekers Harald Conrad Thaulows legat gedeckt. Trine Grønhaug Halvorsen und Léon Reubsaet sind Partner im Konsortium National Network of Advanced Proteomics Infrastructure (NAPI), das vom norwegischen Forschungsrat INFRASTRUKTUR-Programm finanziert wird (Projektnummer: 295910).
Acetic acid N-hydroxysuccinimide ester | Carbosynt (Staad, Switzerland) | FA33719 | Store in freezer below -20 °C |
ALGNQQPSWDSEDSSNF[K_13C6 _15N2] (≥ 95%) |
Innovagen (Lund, Sweden) | Not applicable | Store in freezer below -20 °C |
Ammonium bicarbonate BioUltra (≥ 99.5% ) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 09830-500G | |
Aquasil C18 column, 3 µm, 50 mm x 1 mm | Thermo scientific (Waltham, MA, USA) | 77503-051030 | Analytical column compatible with 100% aqueous mobile phase |
Benzamidine (≥ 95.0% ) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 12072 | Store in fridge at 2-6 °C |
Calsium chloride dihydrate (≥ 99% ) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 223506-500G | |
Centrifuge 5804 | Eppendorf (Hamburg, Tyskland) | 5804000010 | |
Cloned ProGRP isoform 1 | Radium hospital, Oslo University Hospital (Oslo, Norway) | Not applicable | Store in freezer below -20 °C |
Disodium hydrogenphosphate dihydrate (pro analysis) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 30435-500G | |
Disodium hydrogenphosphate dodecahydrate (pro analysis) | Merck (Darmstadt, Tyskland) | 1.06579.0500 | |
Dynabeads M-280 tosylactivated 10 mL | Invitrogen (Carlsbad, USA) | 14204 | Store in fridge at 2-6 °C |
DynaMag-2 | Invitrogen (Carlsbad, USA) | 123-21D | |
Ethanolamine (pro analysis, ≥ 99%) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | #02400 | |
Formic acid (≥ 99% ) for LC-MS | VWR International (Radnor, PA, USA) | 84865.260 | |
FTA DMPK-C cellulose card | Whatman (Kent, UK) | WB129243 | DBS card |
HPLC vials, clear glass, 1.5 mL, 32 x 11.6 mm, Clean Pack | Nerliens Meszansky (Oslo, Norge) | LPP 11 09 0519 | |
Hulamixer sample mixer | Invitrogen (Carlsbad, USA) | 101561503016 | Sample mixer with end-over-end mixing and reciprocal rotation and vibration |
Human serum from healty blood donors | Bloodbank, Ullevål, Oslo University Hospital (Oslo, Norway) | Not applicable | Store in freezer below -20 °C |
Hydrochloric acid fuming 37% (Emsure for analysis) | Merck (Darmstadt, Tyskland) | 1.00317.1000 | |
LC-MS/MS system: Ultimate 3000 system (Autosampler, WPS-3000TRS; Micropump, LPG-3400M; Flow manager, FLM-3300, MIC, 1X2P-10P) and TSQ Quantum access. Controlled by Xcalibur 2.2 SP1.48 | Thermo scientific (Waltham, MA, USA) | Not applicable | |
LiChrosolv Acetonitrile hypergrade for LC-MS | Merck (Darmstadt, Tyskland) | 1.00029.2500 | |
LL Biotrode, Combined glass electrode | Metrohm (Herisau, Sveits) | 6.0224.100 | |
Magnetic stirrer, Type M10 | Franz Morat KG (Eisenbach, Germany) | 10236 | |
Micro inserts, glass (31 x 6 mm, 0.1 mL) | VWR International (Radnor, PA, USA) | 548-0006 | |
MilliQ integral 3 with Q-POD | Merck Millipore (Molsheim, France) | ZRXQ003T0 | For production of Type 1 water |
monoclonal antibody M18 | Radium hospital, Oslo University Hospital (Oslo, Norway) | Not applicable | Store in fridge at 2-6 °C |
Neoteryx Mitra microsampler (10 μL) 4 sampler Clamshell | Fisher Scientific (Waltham, MA, USA) | NC1382947 | |
NHS-activated sepharose beads 4 fast flow | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | GE17-0906-01 | Agarose beads, store in fridge at 2-6 °C |
Optifit, Refill pipet tips, 10 mL | Sartorius Biohit (Helsinki, Finland) | 613-2911 | |
Optifit, Refill pipet tips, 10 μL | Sartorius Biohit (Helsinki, Finland) | 790012 | |
Optifit, Refill pipet tips, 1,000 μL | Sartorius Biohit (Helsinki, Finland) | 791002 | |
Optifit, Refill pipet tips, 200 μL | Sartorius Biohit (Helsinki, Finland) | 790202 | |
pH glass electrode | Metrohm (Herisau, Sveits) | 6.0233.100 | |
pH meter 744 | Metrohm (Herisau, Sveits) | 8.744.1003 | |
Pipet 10 mL | Sartorius Biohit (Helsinki, Finland) | 725090 | |
Pipet m10 µL | Sartorius Biohit (Helsinki, Finland) | 725020 | |
Pipet m100 µL | Sartorius Biohit (Helsinki, Finland) | 725050 | |
Pipet m1,000 µL | Sartorius Biohit (Helsinki, Finland) | 725070 | |
Pipet m20 µL | Sartorius Biohit (Helsinki, Finland) | 725030 | |
Potassium chloride (KCl ≥ 99.9%) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | P-3911 | |
Potassium dihydrogenphosphate (pro analysis) | Merck (Darmstadt, Tyskland) | 1.04873.0250 | |
Protein LoBind Eppendorf tube 0.5 mL | Eppendorf (Hamburg, Tyskland) | 525-0133 (0030 108.094) | |
Protein LoBind Eppendorf tube 1.5 mL | Eppendorf (Hamburg, Tyskland) | 525-0132 (0030 108.116) | |
Protein LoBind Eppendorf tube 2.0 mL | Eppendorf (Hamburg, Tyskland) | 525-0134 (0030 108.450) | |
Protein LoBind Eppendorf tube 5.0 mL | Eppendorf (Hamburg, Tyskland) | 525-0792 (0030108.302) | |
Scissors | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | Z186716-1EA | |
Sodium azide (BioUltra; ≥ 99.5% ) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 71289-5G | |
Sodium chloride (for analysis) | Merck (Darmstadt, Tyskland) | 1.06404.1000 | |
Sodium dihydrogenphosphate monohydrate (pro analysis) | Merck (Darmstadt, Tyskland) | 1.06346.0500 | |
Sodium hydroxide (AnalaR NORMAPUR) | VWR International (Radnor, PA, USA) | 28244.295 | |
Sodium tetraborate decahydrate (≥ 99. %) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | S9640-500G | |
Spectrafuge Mini Centrifuge | LABNET International (Edison, NJ, USA) | C1301 | |
Stirring magnet, 25 mm x 6 mm Ø, circular | Leybold (Cologne, Germany) | 666 851 | |
Stuart Scientific SA8 vortex mixer | Stuart (Staffordshire, UK) | Z648531-1EA | |
SuperClear centrifuge tubes (15 mL) | VWR International (Radnor, PA, USA) | 525-0150 | |
SuperClear centrifuge tubes (50 mL) | VWR International (Radnor, PA, USA) | 525-0155 | |
Thermomixer comfort 1.5 mL | Eppendorf (Hamburg, Tyskland) | 53,55,27,831 | Temperature controlled mixer |
Trizma base (reagent grade, ≥ 99.0 %) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | T6066 | Tris(hydroxymethyl)aminometan (tris) |
Trizma HCl (reagent grade, ≥ 99.0%) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | T3253-100G | Tris(hydroxymethyl)aminometan HCl (tris HCl) |
Trypsin (TCPK-treated from bovine pancreas, 10,000-15,000 BAEE units/mg Protein) | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | T8802 | Store in freezer below -20 °C |
Tween 20 | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | P7949-500ML | polysorbate 20 |
Tweezers | Sigma Aldrich (St. Louis, MO, USA) | TEM-78511-27 | |
Vial caps, white, 9 mm | Nerliens Meszansky (Oslo, Norge) | LPP 09 15 0981 | |
Mitra microsampler with VAMS (Volumetric adsorptive microsampling) technology, 10 µL, 4-sampler clamshell | Neoteryx (Torrance, CA, USA) |