Baserat på blodprover är det möjligt att upptäcka sällsynta genetiska sjukdomar, känna igen cancer eller bestämma inflammationsnivån i kroppen. Dessutom, på grund av den snabba utvecklingen av medicinsk diagnostik baserad på biovätskeanalys, görs många ansträngningar över hela världen för att anpassa medicinska tillvägagångssätt, vilket gör personlig medicin till paradigmet för framtida hälsovård.

I denna riktning presenterade forskare vid Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin (IPC PAS) sin forskning om unika peptider för användning i nya sensorer för snabb och enkel upptäckt av många sjukdomar.

Inflammation är kroppens naturliga försvarsmekanism mot patogener eller skadliga kemikalier som orsakar akuta symtom som smärta, svullnad, rodnad eller blåmärken. Denna mekanism involverar kroppens intensiva produktion av specifika molekyler, såsom cytokiner, som används mot infektion, och inflammation kan lätt diagnostiseras med sådana symtom.

Vissa inflammatoriska reaktioner är dock inte synliga och kan pågå mycket längre än en plötslig infektion. Om inflammatoriska celler finns kvar under en längre tid kan kronisk inflammation utvecklas. Kronisk inflammation kan indikera en mängd olika hälsoproblem, inklusive autoimmuna sjukdomar och cancer, som är svåra att övervinna.

Detektering av inflammationsprocessen i kroppen kan enkelt utföras från blodet, medan övervakningen av inflammationsförloppet är en helt annan historia. Vanligtvis utvärderas infektionsfrekvensen genom att fokusera på nivån av C-reaktivt protein, känt som CRP, en vanlig biomarkör för tidigt stigande för olika inflammatoriska tillstånd i kroppen.

Dess utseende i plasma är baserat på kroppens svar på den ökade cytokinnivån under inflammation när levern producerar CRP. Dess nivå kan också skilja inflammation orsak; till exempel kan ökningen av CRP-nivån relateras till virusinfektioner, medan mycket hög är karakteristisk för bakterieinfektioner.

Blodnivåerna av denna ringformade molekyl förändras snabbt och uttalat med alla inflammationsförsvar inte bara för infektioner utan också som ett svar på vävnadsskador som också utlöser inflammation i alla typer av vävnader. Hittills kan övervakningen av CRP-nivåer leverera värdefull och exakt information om sjukdomsförloppet.

Efter detta område studerade en forskare från IPC PAS, Dr. Katarzyna Szot-Karpińska, interaktioner mellan protein och peptid, särskilt mellan CRP och CRP-bindande material. Hon fokuserade på peptider på grund av deras högre stabilitet under svåra förhållanden till nedbrytning, lägre kostnad och möjligheten till effektivare användning i biomedicinska sensorer än antikroppar, som är de vanligaste CRP-receptorerna.

I en artikel publicerad i tidskriften Analytical Chemistry , använde forskarna en fagvisningsmetod för att identifiera CRP-bindande fager. Att identifiera sådana fager möjliggör bestämning av sekvensen av peptider som exponeras på ytan av fagerna med hög affinitet till CRP.

En viktig drivkraft för studien var frågan om att övervaka långvarig inflammation med hjälp av en elektrokemisk plattform modifierad med stabila molekyler som ett alternativ till antikroppar. De utvalda peptiderna syntetiserades och karakteriserades fullständigt, och deras interaktioner med CRP studerades, vilket resulterade i identifieringen av de tre mest lovande faghärledda CRP-bindande molekylerna.

Peptiden med den högsta affiniteten till CRP immobiliserades på elektroder för senare användning som en elektrokemisk CRP-sensor. Biologiska och fysikalisk-kemiska tekniker användes för att förstå mekanismerna för protein-peptid- och protein-peptid-interaktioner.

Dr. Katarzyna Szot-Karpińska, en vetenskapsman som arbetar med detta projekt, sa:"I våra studier visade vi för första gången att en enda 12-mer peptid identifierad från ett fagbibliotek har använts för CRP-igenkänning. De identifierade peptiderna karaktäriserades, och deras interaktioner med CRP studerades för tillämpning i en avkänningsplattform som visar det nya tillvägagångssättet för biomedicinsk sensorutveckling."

Resultaten var överraskande och visade ett nytt område för elektrokemisk forskning. Det nya materialet på elektroden visade upp till två storleksordningar högre affinitet för CRP än de antikroppar som användes i ELISA. Dessutom var detektionseffektiviteten lovande för den utvalda peptiden, även i närvaro av tre interfererande proteiner. Dessutom behövdes inga ytterligare kemikalier, vilket gjorde detekteringen mer miljövänlig än med klassiska tekniker.

Dessutom implementerades de teoretiska simuleringarna, inklusive beräkningsmodelleringsanalyser utförda i samarbete med Prof. Sławomir Filipek från Warszawas universitet, för att komplettera de biologiska och fysikalisk-kemiska studierna och gav uppseendeväckande resultat.

I silico-studier förklarade det specifika för bindningen av särskilda peptider till CRP. Resultaten visar vilken peptid från en lista med alternativ som är det bästa CRP-bindemedlet och bekräftar den experimentella studien. Hittills har kombinationen av experimentella och teoretiska studier optimerat screeningprocessen och därigenom påskyndat forskningen.

"Mervärdet av detta arbete är integrationen av experimentella metoder med beräkningsmodelleringsanalys. Modelleringen från kända aminosyrasekvenser av peptider bekräftar att P3-peptiden är det bästa bindemedlet för CRP. En sådan kombinerad metod har inte rapporterats tidigare och visar hur numeriska metoder/in silico-analys kan ersätta eller förbättra mödosamma experimentella tekniker."

"Att använda molekylär dockning för att identifiera de bästa bindemedlen eliminerar användningen av kemikalier, vilket är avgörande för att utveckla en grönare kemi. Denna studie validerar den numeriska metoden för att identifiera peptidbindande egenskaper och representerar ett viktigt steg på vägen mot peptidbaserade sensorer. Dessutom, om vi vet hur dockningen fungerar kan vi i framtiden skräddarsy sekvensen av peptiden genom att ändra till exempel en av aminosyrorna för att erhålla den bästa bindningsmolekylen till det studerade målet, som sjukdomsbiomarkörer, säger Dr. Szot Karpińska

En sådan beräkningsmetod för CRP-avkänning med peptider har aldrig beskrivits tidigare, och den illustrerar en ny trend inom forskning där beräkningar kan stödja mödosamma experimentella tekniker.

Den föreslagna metoden möjliggör övervakning av inflammationsförloppet, vilket gör det möjligt att kontrollera CRP-nivån selektivt och känsligt med mycket mindre och mer stabila molekyler än vad som idag används. Detta arbete skulle inte vara möjligt utan att engagera många olika metoder och tekniker från olika områden, vilket bevisar det djupa behovet av tvärvetenskaplig vetenskap, särskilt inom hälsoskydd.

Det visar vikten av att kombinera experimentella studier med en fördjupad studie av intermolekylära interaktioner. Den beskrivna forskningen kan vara en spelomvandlare inom inflammationsdiagnostik och -behandling, särskilt när det gäller långvariga inflammationskurser eller till och med nya lab-on-the-chip-enheter för personlig medicin, läkemedelsutveckling och läkemedelsleverans. Teamet letar efter nya receptorer för sjukdomsmarkörer och nya lösningar för att studera molekylära interaktioner.

Mer information: Katarzyna Szot-Karpińska et al, Undersökning av peptider för molekylärt igenkänning av C-reaktivt protein – teoretiska och experimentella studier, Analytisk kemi (2023). DOI:10.1021/acs.analchem.3c03127

Journalinformation: Analytisk kemi

Tillhandahålls av polska vetenskapsakademin