Abstrakt

Massenspektrometrie 2017: Tandem-Massenspektrometrie als Werkzeug zur Anpassung der Diagnostik von Tierkrankheiten auf der Grundlage der Entdeckung von Biomarkern: Molekularer Imprinting-Ansatz - Hossam EM Sayour - Animal Health Research Institute

Hossam EM Sayour

 Die Bekämpfung von Zoonosen und grenzüberschreitenden Tierseuchen hat für viele gesundheitsbewusste Organisationen/Institutionen höchste Priorität. Die Identifizierung der Vielfalt von Biomarkern oder Epitopenfraktionen für Tierkrankheiten wie Proteinen, Glykoproteinen und Lipopolysacchariden hat eine potenzielle diagnostische/therapeutische Bedeutung. Die Entdeckung von Biomarkern und die Proteomik sind in den letzten Jahren synonym mit der Massenspektrometrie geworden. Die Tandem-Massenspektrometrie (MS-MS) ist eine mehrstufige Massenanalyse, die entweder mithilfe mehrerer Instrumente räumlich oder mithilfe eines einzigen Hybrid-Massenspektrometers zeitlich getrennt sein kann. MS-MS-Techniken, angefangen von der Ionenfalle (IT) bis hin zur MALDI-TOF-MS, oder deren Hybridtechniken sind leistungsstarke Plattformen für die Proteomikanalyse, die in den letzten Jahrzehnten entwickelt wurden. Ein umfassendes Spektrum an Antikörpern, rekombinanten Proteinen, Epitopen oder Haptenen, die für eine innovative Diagnostik von Tierkrankheiten und zur Überwachung der Tiergesundheit eingesetzt werden können, wird derzeit umfassend untersucht. Für massenspektrometriebasierte Biomarker-Entdeckungsplattformen wurden verschiedene Analysestrategien entwickelt, um viele Herausforderungen sowie biologische Variabilität und Anomalien zu überwinden. Die Bioerkennung ist für verschiedene biologische Prozesse von zentraler Bedeutung und findet zahlreiche Anwendungen (Sensoren/Affinitätstrennung und synthetische Katalyse) in praktisch allen Bereichen der Chemie, Biologie und Medizin. Wissenschaftler arbeiten seit Jahrzehnten daran, die exquisite molekulare Erkennungsfähigkeit biologischer Moleküle wie Antikörper, Enzyme und Rezeptoren nachzuahmen. Künstliche Antikörper, die durch Prägung synthetischer Polymere hergestellt werden, sollen die biologische (biomimetische) Erkennungsfähigkeit natürlicher Antikörper nachahmen und gleichzeitig eine bessere thermische, chemische und umweltbedingte Stabilität als ihre natürlichen Gegenstücke aufweisen. Die Bindungsaffinität künstlicher Antikörper zu ihren Antigenen charakterisiert die Bioerkennungsfähigkeit dieser synthetischen Nanokonstrukte und ihre Fähigkeit, natürliche Erkennungselemente zu ersetzen. Eine quantitative Studie der Bindungsaffinität eines künstlichen Antikörpers zu einem Antigen, insbesondere auf molekularer Ebene, fehlt jedoch noch. Mehrere internationale Organisationen wie WHO, OIE, FAO und EPA forderten die Entwicklung schneller, empfindlicher, kostengünstiger und einfach anzuwendender Frühdiagnoseverfahren für Krankheitserreger, schnelle Feldtests oder Point-of-Care-Diagnostik. Die Erkennung und Überwachung von Krankheiten ist aufgrund der hohen Kosten für Reagenzien, hochentwickelte Laborausrüstung und geschultes Personal eine enorme Belastung. Die meisten Ausgaben für Krankheitsdiagnosen fließen in Analyse- und Diagnosegeräte. Darüber hinaus sind Labore in abgelegenen Epidemiegebieten schwer zu finden. Auf dem Gebiet der Molekularbiologie, Nanotechnologie und bioelektromechanischen Mikrosysteme (BioMEMS) hat es enorme Entwicklungen und Fortschritte gegeben. Diese fortschrittlichen Technologien führten zur Entwicklung von Bio-Mikrochip-Geräten zur Erkennung chemischer und biologischer Gefahren.Die Lab-on-a-Chip-Technik ist eine der wichtigsten neuen Technologien. Proteine ??werden durch proteomische Methoden auf Basis der Massenspektrometrie identifiziert. Der erfolgreiche Kandidat verfügt über bedeutende Produkte für die Entwicklung klinischer Immunassays und/oder biomimetischer Sensoren, die in der regulierten Branche der immundiagnostischen Produkte gewonnen wurden, idealerweise bei der Entwicklung von Produkten auf Basis von Lateral-Flow-Assay-Kits (LFA). Computerchemische Werkzeuge werden diesen Entwicklungsansatz bei der Konformationsentscheidung antigener Fraktionen unterstützen, die eine diagnostische Bedeutung haben. Die Entwicklung und Produktion schneller Point-of-Care-Tests für den globalen Markt für Veterinärdiagnostik ist das goldene Ziel, das erreicht werden muss. Die Tandem-Massenspektrometrie ist eine instrumentelle Analysetechnik. Um ihre Fähigkeiten zur Analyse der chemischen Proben zu verbessern, werden zwei oder mehr Massenanalysatoren durch einen zusätzlichen Reaktionsschritt miteinander gekoppelt. Die Analyse von Biomolekülen wie Proteinen und Peptiden ist eine gängige Anwendung der Tandem-MS. Die Moleküle einer bestimmten Probe werden ionisiert und das erste Spektrometer (MS1 genannt) trennt diese Ionen nach ihrem Masse-/Ladungsverhältnis (oft angegeben in m/z oder m/Q). Die Ionen eines bestimmten m/z-Verhältnisses aus MS1 werden ausgewählt und dann in kleinere Fragmentionen aufgeteilt. Der Fragmentierungsschritt identifiziert und trennt die Ionen, die in regulären Massenspektrometern sehr ähnliche m/z-Verhältnisse aufweisen. Bei der Tandem-Massenspektrometrie im Weltraum werden die verschiedenen Elemente oft in abgekürzter Form angegeben, was den Typ des verwendeten Massenselektors angibt. Bei der oberflächeninduzierten Dissoziation (SID) ist die Fragmentierung das Ergebnis der Kollision eines Ions mit einer Oberfläche im Hochvakuum. Vor Jahren war es üblich, SID nur bei Spezies mit geringerer Masse zu verwenden, die einzeln geladen wurden, da Ionisierungsmethoden und Massenanalysatortechnologien nicht weit genug fortgeschritten waren, um Ionen mit hohem m/z zu trainieren, korrekt zu übertragen oder zu charakterisieren. Im Laufe der Zeit waren selbstorganisierte Monoschichtoberflächen (SAM) aus CF3(CF2)10CH2CH2S auf Gold die am häufigsten verwendeten Kollisionsoberflächen für SID in einem Tandemspektrometer. SAMs fungierten aufgrund ihrer typischerweise großen effektiven Massen für die Kollision eingehender Ionen als die wünschenswertesten Kollisionsziele. Darüber hinaus bestehen diese Oberflächen aus starren Fluorkohlenwasserstoffketten, die die Energie von Projektilionen nicht wesentlich dämpfen. Fluorkohlenwasserstoffketten sind auch aufgrund ihrer Fähigkeit, der einfachen Übertragung von Elektronen von der Metalloberfläche auf die eingehenden Ionen zu widerstehen, von Vorteil. Die Fähigkeit von SID, Unterkomplexe zu erzeugen, die stabil bleiben und wertvolle Informationen zur Konnektivität liefern, wird von keiner anderen Dissoziationstechnik erreicht. Da die aus SID erzeugten Komplexe stabil sind und eine Ladungsverteilung auf dem Fragment aufrechterhalten, entsteht dadurch ein einzigartiges Spektrum, bei dem der Komplex auf einer engeren m/z-Verteilung zentriert ist. Die SID-Produkte und die Energie, bei der sie gebildet werden, spiegeln die Stärken und die Topologie des Komplexes wider.Die einzigartigen Dissoziationsmodelle ermöglichen es uns, die quaternäre Struktur des Komplexes zu entdecken. Die symmetrische Ladungsverteilung und die Abhängigkeit von der Dissoziation sind einzigartig für SID und machen die Produktspektren von jeder anderen Dissoziationstechnik unterscheidbar.