Forskare vid University of Wisconsin-Madison har utvecklat en metod som kombinerar klibbiga nanopartiklar med högprecisionsproteinmätning för att fånga och analysera en vanlig markör för hjärtsjukdom för att avslöja detaljer som tidigare var otillgängliga.

Den nya metoden, ett system som kallas nanoproteomics, fångar och mäter effektivt olika former av proteinet hjärttroponin I, eller cTnI, en biomarkör för hjärtskador som för närvarande används för att diagnostisera hjärtinfarkter och andra hjärtsjukdomar. Ett effektivt test av cTnI-variationer skulle en dag kunna ge läkare en bättre förmåga att diagnostisera hjärtsjukdomar, den vanligaste dödsorsaken i USA

UW-Madison professor i cell- och regenerativ biologi och kemi Ying Ge, Professor i kemi Song Jin och kemistudenter Timothy Tiambeng och David Roberts ledde arbetet, som publicerades den 6 augusti i tidskriften Naturkommunikation . Forskarna planerar nu att använda sin nya metod för att associera de olika formerna av cTnI med specifika hjärtsjukdomar som ett steg mot att utveckla ett nytt diagnostiskt test.

Läkare använder för närvarande ett antikroppsbaserat test som kallas ELISA för att diagnostisera hjärtinfarkt baserat på förhöjda nivåer av cTnI i patientens blodprov. Medan ELISA-testet är känsligt, patienter kan ha höga nivåer av cTnI i blodet utan att ha hjärtsjukdom, vilket kan leda till dyra och onödiga behandlingar för patienterna.

"Så vi vill använda vårt nanoproteomiksystem för att undersöka mer detaljer om olika modifierade former av detta protein snarare än att bara mäta dess koncentration, säger Ge, som också är chef för Human Proteomics Program i UW School of Medicine and Public Health. "Det kommer att hjälpa till att avslöja molekylära fingeravtryck av cTnI från varje patient för precisionsmedicin."

Att mäta lågkoncentrationsproteiner i blodet som cTnI är ett klassiskt nål-i-höstack-problem. Sällsynt, meningsfulla biomarkörer för sjukdom är helt överväldigade av vanliga och diagnostiskt värdelösa proteiner i blodet. Nuvarande metoder använder antikroppar för att berika och fånga proteiner i ett komplext prov för att identifiera och kvantifiera proteiner. Men antikroppar är dyra, har batch-till-batch-variationer, och kan generera inkonsekventa resultat.

För att fånga cTnI och övervinna några av antikropparnas begränsningar, forskarna designade nanopartiklar av magnetit, en magnetisk form av järnoxid, och kopplade den till en peptid med 13 aminosyror lång designad för att specifikt binda till cTnI. Peptiden låser sig på cTnI i ett blodprov, och nanopartiklarna kan samlas ihop med hjälp av en magnet. Nanopartiklar och peptider görs lätt i labbet, gör dem billiga och konsekventa.

Med hjälp av nanopartiklar, forskarna kunde effektivt berika cTnI i prover av mänsklig hjärtvävnad och blod. Sedan använde de avancerad masspektrometri, som kan särskilja olika proteiner genom deras massa, för att inte bara få en exakt mätning av cTnI, men också för att bedöma de olika modifierade formerna av proteinet.

Liksom många proteiner, cTnI kan modifieras av kroppen beroende på faktorer som en underliggande sjukdom eller förändringar i miljön. När det gäller cTnI, kroppen lägger till olika antal fosfatgrupper, små molekylära taggar som kan ändra funktionen av cTnI. Dessa variationer är subtila och svåra att spåra.

"Men med högupplöst masspektrometri, vi kan nu "se" dessa molekylära detaljer av proteiner, som det dolda isberget under ytan, säger Ge.

Tiambeng och Roberts bestämde sig för att testa om de kunde särskilja de olika former av cTnI som kan hittas i patientblodprover. De spetsade blodserum med proteiner från donatorhjärtan som var normala, sjuklig, eller från en död donator. Sedan använde de sina nanopartiklar för att fånga cTnI och mätte proteinet med masspektrometri.

Som hoppats, forskarna kunde observera tydligt olika mönster i de typer av cTnI som är vanliga i varje typ av hjärtvävnad. De friska hjärtan tenderade att ha massor av cTnI med flera fosfatgrupper anslutna, till exempel, medan sjuka hjärtan hade cTnI som hade mindre fosfat och det obduktionshjärta hade cTnI brutet i bitar.

Även om detta fortfarande är en proof-of-concept-studie och mer forskning kommer att behövas, det är denna förmåga att associera ett mönster av cTnI-variationer med hjärthälsa som forskarna hoppas en dag skulle kunna producera ett nytt diagnostiskt verktyg för att hjälpa när patienter kommer till sjukhuset med misstänkt hjärtsjukdom. Forskarna har lämnat in en patentansökan på den nya tekniken genom Wisconsin Alumni Research Foundation.

"Vi vill tro att ett framtida blodprov baserat på vårt arbete här skulle kunna komplettera det nuvarande ELISA-testet, " säger Jin. "I framtiden, när ELISA visar en förhöjd cTnI-nivå, din läkare kan beställa ett omfattande nanoproteomiskt test för att avgöra om det orsakas av hjärtsjukdom eller inte, och identifiera olika typer av hjärtsjukdomar, för mer exakt behandling samtidigt som man undviker onödig vård och kostnader för patienterna”.