• 16 maart 2018
  • Door: Dr. Wilfried Niessen

Proteïnen zijn essentieel in biologische systemen. Ze vervullen daarin velerlei functies. Het zijn bouwstenen van cellen en organellen. Zij katalyseren chemische reacties, bijvoorbeeld in de spijsvertering en de citroenzuurcyclus. Ook zijn proteïnen betrokken bij het doorgeven van signalen, bijvoorbeeld tussen binnen en buiten een cel. Ze zijn betrokken bij immunochemische respons. Proteïnen verzorgen transport, denk aan hemoglobine in de rode bloedcellen voor zuurstoftransport. Het geheel van proteïnen in een biologisch systeem noemen we het proteoom.

Een voorbeeld: Apolipoproteïnen

Apolipoproteïnen zijn betrokken bij de transport van lipiden in het lichaam. Er zijn diverse soorten apolipoproteïnen en binnen die soorten is er ook nog polymorfisme (zie figuur 1). Ze zijn betrokken bij hart- en vaatziekten, maar we weten niet precies hoe. Hier wordt onderzoek naar gedaan, waarvoor we de verschillende apolipoproteïnen moeten kunnen onderscheiden en kwantitatief analyseren in verschillende toestanden van het biologisch systeem. Op die manier kunnen we wellicht de rol van apolipoproteïnen in hart- en vaatziekten begrijpen. Dan zouden ze mogelijk als diagnostieke biomarker gebruikt kunnen worden en/of ideeën geven voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen.

Apolipoproteïnen

Massaspectrometrie en proteïnen

Massaspectrometrie (MS) heeft de analyse en karakterisering van proteïnen veranderd en daarmee belangrijke nieuwe mogelijkheden geopend binnen de biochemie en gerelateerde onderzoeksvelden. In 1988 werden electrospray ionisatie (ESI) en matrix-assisted laser desorptie ionisatie (MALDI) geïntroduceerd. Deze twee  nieuwe ionisatietechnieken voor MS maakten met name de analyse van biomoleculen, zoals proteïnen, veel eenvoudiger. Vandaar ook dat de betrokken onderzoekers in 2002 werden geëerd met de Nobelprijs voor Chemie.

Workflow

Terwijl in die tijd het in kaart brengen van het menselijk genoom al volop aan de gang was (genomics), kwamen er nu ook zeer efficiënte analysemethoden voor proteïnen beschikbaar. Er werden op MS gebaseerde strategieën ontwikkeld om de in cellen of andere biologische systemen aanwezige proteïnen in kaart te brengen (proteomics). Hiertoe werd een geavanceerde analyse-“workflow” ontwikkeld.

proteomics workflow

De zogenaamde proteomics workflow bestaat uit een aantal stappen (zie figuur 2 ):

  1. Het isoleren van proteïnen, d.w.z. van het proteoom, van een biologisch systeem,
  2. De enzymatische digestie van het proteoom in een complex mengsel van peptiden,
  3. De MS analyse van die peptidemengsels met ESI of MALDI als ionisatietechniek, en
  4. Het gebruik van bioinformatica bij de interpretatie van de verkregen data.

Welke technieken?

Voor de MS analyse van peptidemengsels kunnen verschillende massaspectrometrische technieken worden ingezet. Met MALDI-MS kunnen de massa’s van de aanwezige peptide bepaald worden. Peptidemengsels zijn echter meestal complex. Daarom is  vloeistofchromatografische scheiding in combinatie met ESI-MS vaak een beter idee. In beide gevallen bieden geavanceerde MS technieken de mogelijkheid om niet alleen de massa’s van de peptiden in het mengsel te bepalen, maar ook informatie te verkrijgen over de aminozuursequentie in de gemeten peptiden. Daarvoor wordt tandem MS gebruikt.

Op die manier levert de MS analyse een geweldige hoeveelheid data op. Voor de interpretatie van die data wordt intensief gebruik gemaakt van de bioinformatica. Ondertussen is er software  om proteïnen op basis van MS data en met behulp van bestaande databases van aminozuursequenties van proteïnen te identificeren. Die combinatie van MS analyse en bioinformatica heeft geresulteerd in een ‘high-throughput’ workflow.

De toepassingen van proteomics

Als je langs deze weg het proteoom in een biologisch systeem kunt karakteriseren, ligt de weg open naar meer geavanceerde toepassingen. Het is dan mogelijk om proteomen van biologisch systemen in verschillende toestanden met elkaar te vergelijken, bijv. een gezond en een ziek systeem. Het kijken naar welke proteïnen in een proteoom bij ziekte meer of juist minder voorkomen dan in de gezonde toestand biedt interessante mogelijkheden. De proteïnen die meer of minder aanwezig zijn kunnen mogelijk gebruikt worden als diagnostische proteïne biomarkers voor ziekte.  En mogelijk kunnen we met behulp van proteïne-gebaseerde geneesmiddelen ingrijpen in die verandering, en dus op basis van die waarnemingen nieuwe geneesmiddelen ontwikkelen. En op hun beurt vraagt dit om de ontwikkeling van betrouwbare kwantitatieve analyse van proteïnen in complexe biologische systemen, bijv. in plasma.

De karakterisering van verschillende vormen van bijv. apolipoproteïnen en hun kwantitatieve analyse in biologische systemen in verschillende toestanden zijn goede voorbeelden van hoe de geavanceerde MS technieken kunnen worden ingezet in de klinische chemie.

Kwantitatieve bioanalyse van proteïne geneesmiddelen met MS wordt ook steeds belangrijker. Dat geldt voor toepassingen in klinische studies voor bijvoorbeeld farmacokinetiek en biologische beschikbaarheid tijdens geneesmiddelontwikkeling binnen de farmaceutische industrie.  Bij de bepaling van bloedspiegels voor therapeutische drug monitoring zijn proteomics strategieën in kwantitatieve proteïne analyse ook noodzakelijk.

Tegen deze achtergrond is de cursus LC–MS van peptiden en proteïnen, karakterisering en kwantitatieve analyse is ontwikkeld. Die gaat gedegen in op deze ontwikkelingen en verschaft de benodigde achtergrondkennis en inzichten in dit fascinerende onderzoeksveld, dat spoedig routinematige toepassingen zal krijgen binnen klinisch-chemische laboratoria van ziekenhuizen en laboratoria voor geneesmiddelontwikkeling binnen de farmaceutische industrie. Als een inleiding kan deze cursus ook nuttig zijn voor onderzoekers die werken in andere toepassingsvelden van proteïne-analyse met behulp van MS.

Plaats ook een reactie

CAPTCHA Deze vraag dient om te testen of u een menselijke bezoeker bent en om geautomatiseerde spam-inzendingen te voorkomen.