Analytische Chemie
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Organisationseinheit der BAM
ADAMTS4-specific MR-probe to assess aortic aneurysms in vivo using synthetic peptide libraries
(2022)
The incidence of abdominal aortic aneurysms (AAAs) has substantially increased during the last 20 years and their rupture remains the third most common cause of sudden death in the cardiovascular field after myocardial infarction and stroke. The only established clinical parameter to assess AAAs is based on the aneurysm size. Novel biomarkers are needed to improve the assessment of the risk of rupture. ADAMTS4 (A Disintegrin And Metalloproteinase with ThromboSpondin motifs 4) is a strongly upregulated proteoglycan cleaving enzyme in the unstable course of AAAs. In the screening of a one-bead-one-compound library against ADAMTS4, a low-molecular-weight cyclic peptide is discovered with favorable properties for in vivo molecular magnetic resonance imaging applications. After identification and characterization, it’s potential is evaluated in an AAA mouse model. The ADAMTS4-specific probe enables the in vivo imaging-based prediction of aneurysm expansion and rupture.
Isotope-dilution liquid chromatography-tandem mass spectrometry (ID-LC-MS/MS) is emerging in the field of clinical chemistry and laboratory medicine as an alternative to immunoassays and is acknowledged as the MS “gold standard” for small biomolecule quantification. Hepcidin-25, a key iron-regulatory peptide hormone discovered in 2000, has revolutionized the understanding of iron disorders and its quantitative determination in biological samples should advance the management of iron-related pathology (diagnosis, prognosis and treatment). This study applied LC-MS/MS, using the triple quadrupole (QqQ) mass spectrometer, in a rapid and robust analytical strategy for the quantification of hepcidin-25 in human serum, to be implemented in routine laboratories. For this purpose, two sample preparation strategies and two complementary chromatographic separation conditions were investigated, where the use of acidic mobile phases (0.1% trifluoroacetic acid) was compared with a novel approach involving solvents at high pH (containing 0.1% ammonia). The application of these LC-MS/MS methods to human samples in an intra-laboratory comparison, using the same hepcidin-25 calibrators, yielded a very good correlation of the results. The LC-MS/MS employing trifluoroacetic acid-based mobile phases was selected as a highly sensitive (limit of quantification LOQ of 0.5 μg/L) and precise (coefficient of variation CV<15%) method and was recommended as a reference method candidate for hepcidin-25 quantification in real samples (in the dynamic range of 0.5-40 μg/L). One of the novel aspects of the methodology was the use of amino- and fluoro-silanized autosampler vials to reduce the interaction of the 25-residue peptide to laboratory glassware surfaces. Moreover, this LC-MS/MS method was used for an international round robin study, applying a secondary reference material as a calibrator. By determining the degree of equivalence between the results of the ten participating methodologies, the performance of the method developed in this study was found to be in the optimal range as defined by the International Consortium for Harmonization of Clinical Laboratory Results (ICHCLR). In this work, the formation of hepcidin-25 complexes with copper(II) was investigated. The first reversed-phase chromatographic separation of hepcidin-25/Cu2+ and hepcidin-25 (copper “free”) was achieved by applying mobile phases containing 0.1% of ammonia (pH 11). LC-MS/MS and high-resolution mass spectrometry (Fourier-transform ion cyclotron resonance (FTICR) MS) were applied for the mass spectrometric characterization of the formed hepcidin-25-Cu(II) species at pH values of 11 and 7.4 respectively. A new species corresponding to hepcidin-25 complexed with two copper ions was identified at high pH.
Im Vergleich zu anderen Proteinen ist die Identifizierung von Antikörpern anhand ihrer Sequenz zum Beispiel mittels "peptide mass fingerprinting" schwierig. Da die Sequenzinformation eines Antikörpers aufgrund der hypersomatischen Mutation während der Affinitätsreifung nicht im Genom eines Organismus gespeichert ist, kann die Aminosäuresequenz nicht auf einfachem Weg der DNA-Sequenzierung gewonnen werden. Das ist nur in seltenen Fällen möglich, wenn dem Endanwender der Zellklon der Antikörper-produzierenden Zelle zugänglich ist. Eine Sequenzierung auf Protein-Ebene ist sehr aufwändig und teuer und wird daher fast nie für die Charakterisierung von analytischen Antikörpern verwendet. Der Mangel an Validierung dieser analytischen Antikörper, die bei Experimenten verwendeten werden, löst aber eine Reihe Probleme aus, die die Wiederholbarkeit dieser Experimente schwierig und in einigen Fällen unmöglich macht. Das sorgt jährlich für verschwendete Forschungsgelder in Milliardenhöhe und hindert den wissenschaftlichen Fortschritt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer einfachen und schnellen Methode, die es trotzdem ermöglicht, die Identifikation von Antikörpern sicherzustellen. Dazu wurde eine Methode basierend auf dem "peptide mass fingerprinting" gewählt. Das Problem der unbekannten Aminosäuresequenz der Antikörper wurde gelöst, indem lediglich die Peptidmuster der entstehenden Fingerprint-Spektren zur Identifikation herangezogen wurden. MALDI wurde dabei als Ionisationsmethode für die Massenspektrometrie gewählt, da die resultierenden Spektren im Gegensatz zu ESI-MS einfach auszuwerten sind. Auch kann auf eine vorige Trennung der Peptide mittels LC verzichtet werden, was zusätzlich Analysenzeit spart. Für die Proteinspaltung wurde eine simple saure Hydrolyse mittels Ameisensäure gewählt. Im Vergleich zum herkömmlichen Trypsin-Verdau konnten auf zeitraubende Arbeitsschritte wie Denaturierung, Reduktion und Alkylierung der Antikörper verzichtet werden. Die Hydrolyse mittels Ameisensäure wurde bisher nur auf kleine und mittelgroße Proteine angewendet, sodass im ersten Teil dieser Arbeit mehrere Schritte optimiert wurden bevor zufriedenstellende Fingerprint-Spektren von Antikörpern erhalten wurden.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Hochdurchsatzanalyse von partikelgebundenen Split-and-Mix-Peptidbibliotheken. Dabei wurde ein System entwickelt, das Partikelbibliotheken in kurzer Zeit auf ihre Bindung zu einem Zielmolekül hin untersucht und im nächsten Schritt eine direkte „Ein-Partikel“-Sequenzierung der Peptide von der festen Phase ermöglicht. Die Analyse der Bindung eines Zielmoleküls an ein selektiv bindendes Peptid wurde dabei in einem Modellsystem simuliert. Dazu wurde FITC-markiertes Neutravidin 3 mit festphasengebundenen biotinylierten und nicht-biotinylierten Peptiden inkubiert. Die Bindung von Neutravidin-FITC an die biotinylierten Peptide konnte erfolgreich mittels eines Fluoreszenzmikroskops nachgewiesen werden, wobei diese Methode für eine Hochdurchsatzanalyse ungeeignet war. So wurde die Analyse des Fluoreszenzassays auf einen Microarrayscanner übertragen (siehe Abbildung 33). Dies gelang erfolgreich wobei die hohe Eigenfluoreszenz des Tentagel-Harzes zu falsch positiven Ergebnissen führte. Mit einem Wechsel zum längerwelligen Fluoreszenzfarbstoff ATTO-633 konnten falsch positive Ergebnisse vermieden werden. Somit wurde die zeitintensive Fluoreszenzanalyse von einem Fluoreszenzmikroskop erfolgreich auf einen Microarrayscanner übertragen, welcher in kurzer Zeit (ca. 5 min pro Objektträger) eine Vielzahl an peptidbeladenen Partikeln gleichzeitig analysieren kann.
Hepcidin-25 was identified as the main iron regulator in the human body, and it by binds to the sole iron-exporter ferroportin. Studies showed that the N-terminus of hepcidin is responsible for this interaction, the same N-terminus that encompasses a small copper(II)-binding site known as the ATCUN (amino-terminal Cu(II)- and Ni(II)-binding) motif. Interestingly, this copper-binding property is largely ignored in most papers dealing with hepcidin-25. In this context, detailed investigations of the complex formed between hepcidin-25 and copper could reveal insight into its biological role. The present work focuses on metal-bound hepcidin-25 that can be considered the biologically active form. The first part is devoted to the reversed-phase chromatographic separation of copper-bound and copper-free hepcidin-25 achieved by applying basic mobile phases containing 0.1% ammonia. Further, mass spectrometry (tandem mass spectrometry (MS/MS), high-resolution mass spectrometry HRMS)) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy were employed to characterize the copper-peptide. Lastly, a three-dimensional (3D)model of hepcidin-25with bound copper(II) is presented. The identification of metal complexes and potential isoforms and isomers, from which the latter usually are left undetected by mass spectrometry, led to the conclusion that complementary analytical methods are needed to characterize a peptide calibrant or reference material comprehensively. Quantitative nuclear magnetic resonance (qNMR), inductively-coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), ion-mobility spectrometry (IMS) and chiral amino acid analysis (AAA) should be considered among others.
Hepcidin-25 concentrations measured by various methods differ considerably, complicating interpretation. Here, a previously identified plasma-based candidate secondary reference material (csRM) was modified into a serum-based two-leveled sRM. We validated its functionality to increase the equivalence between methods for international standardization. We applied technical procedures developed by the International Consortium for Harmonization of Clinical Laboratory Results. The sRM, consisting of lyophilized serum with cryolyoprotectant, appeared commutable among nine different measurement procedures using 16 native human serum samples in a first round robin (RR1). Harmonization potential of the sRM was simulated in RR1 and evaluated in practice in RR2 among 11 measurement procedures using three native human plasma samples. Comprehensive purity analysis of a candidate primary RM (cpRM) was performed by state-of-the-art procedures. The sRM was value assigned with an isotope dilution mass spectrometry-based candidate reference method calibrated using the certified pRM. The inter-assay CV without harmonization was 42.1% and 52.8% in RR1 and RR2, respectively. In RR1, simulation of harmonization with sRM resulted in an inter-assay CV of 11.0%, whereas in RR2 calibration with the material resulted in an inter-assay CV of 19.1%. Both the sRM and pRM passed international homogeneity criteria and showed long-term stability. We assigned values to the low (0.95 ± 0.11 nmol/L) and middle concentration (3.75 ± 0.17 nmol/L) calibrators of the sRM. Standardization of hepcidin is possible with our sRM, which value is assigned by a pRM. We propose the implementation of this material as an international calibrator for hepcidin-25.