Наночастицы захватывают биомаркер болезней сердца для детального анализа

Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон разработали метод, сочетающий липкие наночастицы с высокоточным измерением белков, для захвата и анализа распространенного маркера болезней сердца, раскрывая ранее недоступные детали.

Новый метод, система под названием нанопротеомика, эффективно захватывает и измеряет различные формы белка кардиального тропонина I (cTnI) — биомаркера повреждения сердца, который уже используется для диагностики сердечных приступов и других заболеваний. Эффективный анализ вариаций cTnI может в будущем дать врачам более точный инструмент для диагностики болезней сердца — ведущей причины смерти в США.

Работу возглавили профессор клеточной биологии, регенеративной биологии и химии Ин Гэ, профессор химии Сон Джин и аспиранты-химики Тимоти Тьямбенг и Дэвид Робертс. Исследование опубликовано 6 августа в журнале Nature Communications. Ученые планируют использовать свой метод, чтобы связать различные формы cTnI с конкретными сердечными заболеваниями, что станет шагом к созданию нового диагностического теста.

Сейчас врачи используют антитело-основанный тест ELISA для диагностики сердечных приступов по повышенному уровню cTnI в образце крови пациента. Хотя тест ELISA чувствителен, у пациентов могут быть высокие уровни cTnI в крови без наличия сердечного заболевания, что может привести к дорогому и ненужному лечению.

«Поэтому мы хотим использовать нашу систему нанопротеомики, чтобы детальнее изучить различные модифицированные формы этого белка, а не просто измерять его концентрацию, — говорит Ин Гэ, директор Программы протеомики человека в Медицинской школе UW. — Это поможет выявить молекулярные "отпечатки пальцев" cTnI у каждого пациента для прецизионной медицины».

Измерение низкоконцентрированных белков в крови, таких как cTnI, — классическая проблема «иголки в стоге сена». Редкие, значимые биомаркеры болезни полностью затмеваются обычными и диагностически бесполезными белками крови. Существующие методы используют антитела для обогащения и захвата белков в сложном образце. Но антитела дороги, имеют вариации от партии к партии и могут давать нестабильные результаты.

Чтобы захватить cTnI и преодолеть некоторые ограничения антител, исследователи создали наночастицы из магнетита (магнитной формы оксида железа) и присоединили к ним пептид длиной в 13 аминокислот, разработанный для специфичного связывания с cTnI. Пептид захватывает cTnI в образце крови, а наночастицы можно собрать вместе с помощью магнита. Наночастицы и пептиды легко создаются в лаборатории, что делает их дешевыми и стабильными.

Используя наночастицы, исследователи смогли эффективно обогатить cTnI в образцах ткани человеческого сердца и крови. Затем они применили высокоточную масс-спектрометрию, которая различает белки по массе, чтобы не только точно измерить cTnI, но и оценить его различные модифицированные формы.

Как и многие белки, cTnI может модифицироваться организмом в зависимости от факторов, таких как основное заболевание или изменения среды. В случае cTnI организм добавляет различное количество фосфатных групп — небольших молекулярных меток, которые могут менять функцию белка. Эти вариации тонкие, и их сложно отследить.

«Но с масс-спектрометрией высокого разрешения мы теперь можем "видеть" эти молекулярные детали белков, как скрытый айсберг под поверхностью», — говорит Ин Гэ.

Тьямбенг и Робертс решили проверить, смогут ли они различить различные формы cTnI в образцах крови пациентов. Они добавили в сыворотку крови белки из донорских сердец: здоровых, больных и посмертных. Затем они использовали свои наночастицы для захвата cTnI и измерили белок с помощью масс-спектрометрии.

Как и ожидалось, ученые смогли наблюдать четко различные паттерны в типах cTnI, преобладающих в каждом виде сердечной ткани. Например, в здоровых сердцах было много cTnI с присоединенными несколькими фосфатными группами, в то время как в больных сердцах у cTnI было меньше фосфатов, а в посмертном сердце cTnI был разбит на фрагменты.

Хотя это пока лишь исследование, доказывающее концепцию, и потребуются дальнейшие изыскания, именно эта способность связать паттерн вариаций cTnI со здоровьем сердца может в будущем привести к созданию нового диагностического инструмента. Исследователи подали заявку на патент через Wisconsin Alumni Research Foundation.

«Мы надеемся, что будущий анализ крови на основе нашей работы сможет дополнять текущий тест ELISA, — говорит Сон Джин. — В будущем, когда ELISA покажет повышенный уровень cTnI, врач сможет назначить комплексный нанопротеомный тест, чтобы определить, вызвано ли это болезнью сердца, идентифицировать разные типы заболеваний для более точного лечения, избегая ненужной помощи и расходов для пациентов».