Biomarcador de enfermedad cardiaca captado por nueva tecnología de nanopartículas

Fuente: Kateryna Kon/Science Photo Library/Getty Images

Científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison (UW-Madison) dicen que han desarrollado una técnica que combina nanopartículas pegajosas con medición de proteínas de alta precisión para capturar y analizar un marcador común de enfermedad cardíaca para revelar detalles que antes eran inaccesibles.

El nuevo método, nanoproteómica, captura y mide de manera efectiva varias formas de la proteína troponina cardíaca I, o cTnI, un biomarcador de daño cardíaco que actualmente se usa para ayudar a diagnosticar ataques cardíacos y otras enfermedades cardíacas, según el equipo que sostiene que una prueba efectiva de Las variaciones de cTnI algún día podrían proporcionar a los médicos una mejor capacidad para diagnosticar enfermedades cardíacas, la principal causa de muerte en los EE. UU.

UW-Madison Ying Ge, PhD, profesor de biología y química celular y regenerativa, Song Jin, PhD, profesor de química y los estudiantes graduados de química Timothy Tiambeng y David Roberts dirigieron el estudio "La nanoproteómica permite el análisis resuelto por proteoformas de proteínas de baja abundancia en suero humano", que se publicó en Nature Communications. Los investigadores ahora planean usar su nuevo método para asociar las diversas formas de cTnI con enfermedades cardíacas específicas como un paso hacia el desarrollo de una nueva prueba de diagnóstico.

"La proteómica basada en la espectrometría de masas (MS) de arriba hacia abajo proporciona un análisis exhaustivo de las proteoformas para lograr una comprensión completa del proteoma de las funciones de las proteínas. Sin embargo, la detección de MS de proteínas de baja abundancia en la sangre sigue siendo un desafío sin resolver debido a la extraordinaria dinámica Aquí, desarrollamos un método integrado de nanoproteómica que acopla nanopartículas superparamagnéticas (NP) funcionalizadas con péptidos con MS de arriba hacia abajo para el enriquecimiento y el análisis integral de la troponina cardíaca I (cTnI), un biomarcador cardíaco estándar de oro, directamente del suero", escriben los investigadores.

"Estas NP permiten el enriquecimiento sensible de cTnI (<1 ng/mL) con alta especificidad y reproducibilidad, al mismo tiempo que agotan proteínas muy abundantes como la albúmina sérica humana (>1010 más abundante que cTnI). Demostramos que la nanoproteómica de arriba hacia abajo puede proporcionar huellas dactilares moleculares resueltas por proteoformas de alta resolución de diversas proteoformas cTnI para establecer relaciones proteoforma-fisiopatología".

"Esta estrategia libre de anticuerpos escalable y reproducible generalmente puede permitir el análisis resuelto por proteoforma de proteínas de baja abundancia directamente del suero para revelar detalles moleculares previamente inalcanzables".

Actualmente, los médicos usan una prueba ELISA basada en anticuerpos para ayudar a diagnosticar ataques cardíacos según los niveles elevados de cTnI en la muestra de sangre del paciente. Si bien la prueba ELISA es sensible, los pacientes pueden tener altos niveles de cTnI en la sangre sin tener una enfermedad cardíaca, lo que puede generar tratamientos costosos e innecesarios para los pacientes.

"Así que queremos usar nuestro sistema de nanoproteómica para buscar más detalles en varias formas modificadas de esta proteína en lugar de solo medir su concentración", dice Ge, quien también es director del Programa de Proteómica Humana en la Facultad de Medicina y Salud Pública de la Universidad de Washington. . "Eso ayudará a revelar las huellas dactilares moleculares de cTnI de cada paciente para la medicina de precisión".

Medir proteínas de baja concentración en la sangre como cTnI es un problema clásico de aguja en un pajar. Los biomarcadores raros y significativos de la enfermedad están completamente abrumados por las proteínas comunes e inútiles para el diagnóstico en la sangre. Los métodos actuales usan anticuerpos para enriquecer y capturar proteínas en una muestra compleja para identificar y cuantificar proteínas. Pero los anticuerpos son costosos, tienen variaciones de lote a lote y pueden generar resultados inconsistentes.

Para capturar cTnI y superar algunas de las limitaciones de los anticuerpos, los investigadores diseñaron nanopartículas de magnetita, una forma magnética de óxido de hierro, y las vincularon a un péptido de 13 aminoácidos diseñado para unirse específicamente a cTnI. El péptido se adhiere a la cTnI en una muestra de sangre y las nanopartículas se pueden juntar usando un imán. Las nanopartículas y los péptidos se fabrican fácilmente en el laboratorio, lo que los hace económicos y consistentes.

Usando las nanopartículas, los investigadores pudieron enriquecer efectivamente cTnI en muestras de sangre y tejido cardíaco humano. Luego utilizaron espectrometría de masas avanzada, que puede distinguir diferentes proteínas por su masa, no solo para obtener una medición precisa de cTnI, sino también para evaluar las diversas formas modificadas de la proteína.

Como muchas proteínas, el cuerpo puede modificar la cTnI dependiendo de factores como una enfermedad subyacente o cambios en el medio ambiente. En el caso de cTnI, el cuerpo agrega varios números de grupos fosfato, pequeñas etiquetas moleculares que pueden cambiar la función de cTnI. Estas variaciones son sutiles y difíciles de rastrear.

"Pero con la espectrometría de masas de alta resolución, ahora podemos 'ver' estos detalles moleculares de las proteínas, como el iceberg oculto debajo de la superficie", dice Ge.

Tiambeng y Roberts decidieron probar si podían distinguir las diversas formas de cTnI que se pueden encontrar en las muestras de sangre de los pacientes. Le agregaron al suero sanguíneo proteínas de corazones de donantes que eran normales, enfermos o de un donante muerto. Luego usaron sus nanopartículas para capturar cTnI y midieron la proteína usando espectrometría de masas.

Como se esperaba, los científicos pudieron observar patrones claramente diferentes en los tipos de cTnI que prevalecen en cada tipo de tejido cardíaco. Los corazones sanos tendían a tener mucha cTnI con múltiples grupos fosfato unidos, por ejemplo, mientras que los corazones enfermos tenían cTnI que tenía menos fosfato y el corazón post mortem tenía cTnI fragmentada.

Si bien este es todavía un estudio de prueba de concepto y se necesitará más investigación, es esta capacidad de asociar un patrón de variaciones de cTnI con la salud del corazón lo que los investigadores esperan que algún día pueda producir una nueva herramienta de diagnóstico para ayudar cuando los pacientes acuden a al hospital con sospecha de cardiopatía.

Los investigadores han presentado una solicitud de patente sobre la nueva tecnología a través de la Fundación de Investigación de Antiguos Alumnos de Wisconsin.

"Nos gusta pensar que una futura prueba de sangre basada en nuestro trabajo aquí podría ser complementaria a la prueba ELISA actual", dice Jin. "En el futuro, cuando ELISA muestre un nivel elevado de cTnI, su médico podría ordenar una prueba de nanoproteómica integral para determinar si es causada por una enfermedad cardíaca o no, e identificar diferentes tipos de enfermedades cardíacas, para un tratamiento más preciso y evitar cuidados innecesarios y gasto para los pacientes".

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