"Protein-Fingerabdruck" identifiziert Covid-19-Biomarker in kürzester Zeit

Die neue Scanning-SWATH-Technologie macht die Massenspektrometrie deutlich schneller und kostengünstiger als bisher

Foto: Arne Sattler/Charité

Das Potenzial der Technik demonstriert das Forschungsteam anhand der Analyse des Blutplasmas von Covid-19-Betroffenen: Mit der neuen Technologie identifizierte es elf bisher unbekannte Proteine, die den Schweregrad der Erkrankung anzeigen. Die Studie ist im Fachmagazin Nature Biotechnology veröffentlicht.

Zu jedem Zeitpunkt sind im menschlichen Körper Tausende verschiedener Proteine aktiv: Sie geben ihm seine Struktur und ermöglichen lebenswichtige Reaktionen. Auch wenn der Körper auf äußere Einwirkungen wie Erreger oder Medikamente reagiert, steigert oder senkt er die Aktivität unterschiedlicher Proteine. Das detaillierte Muster von Proteinen in Zellen, Geweben oder Blutproben – das sogenannte Proteom – kann Forschenden deshalb dabei helfen, Erkrankungen besser zu verstehen oder Aussagen über Diagnosen und Krankheitsverläufe zu machen. Um einen solchen „Protein-Fingerabdruck“ zu erhalten, nutzen Wissenschaftler die Massenspektrometrie, die bisher jedoch sehr zeit- und kostenintensiv ist. Abhilfe verspricht jetzt die neue massenspektrometrische Technologie „Scanning SWATH“: Entwickelt von einem Team um Prof. Dr. Markus Ralser, Direktor des Instituts für Biochemie der Charité, ist sie wesentlich schneller und kostengünstiger als frühere Methoden und erlaubt die Messung von mehreren Hundert Proben pro Tag. „Um die Technologie zu beschleunigen, haben wir die elektrischen Felder im Massenspektrometer verändert. Das erzeugt äußerst komplexe Daten, die ein Mensch nicht mehr analysieren kann“, erklärt Prof. Ralser, der auch Einstein-Professor und Gruppenleiter am Francis Crick Institute in London ist. „Deshalb haben wir Computeralgorithmen entwickelt, die auf neuronalen Netzwerken basieren und aus den Daten die nötige biologische Information extrahieren. Das erlaubt uns, Tausende Proteine parallel zu bestimmen, und reduziert die Messzeit um ein Vielfaches. Erfreulicherweise ist die Methode darüber hinaus auch genauer.“

Die Anwendungsmöglichkeiten für diese Hochdurchsatz-Technologie sind vielfältig: Von der Grundlagenforschung über die groß angelegte Suche nach wirksamen Arzneimitteln bis zur Identifizierung von biologischen Merkmalen (Biomarkern), die sich für die Einschätzung des individuellen Risikos von Patienten nutzen lassen. Dass sich die Technik für Letzteres eignet, zeigte die Forschungsgruppe in ihrer Studie am Beispiel von Covid-19. Dazu analysierte das Team das Blutplasma von 30 Patienten mit unterschiedlich stark ausgeprägten Covid-19-Symptomen, die an der Charité stationär behandelt wurden, und verglich die Proteinmuster mit dem von 15 gesunden Personen. Die Messung einer einzelnen Probe dauerte dabei nur wenige Minuten.

Auf diese Weise identifizierten die Wissenschaftler insgesamt 54 Proteine, deren Konzentration im Blut abhängig vom Schweregrad der Covid-19-Erkrankung erhöht oder verringert war. 43 davon waren in früheren Studien bereits mit der Schwere der Erkrankung in Verbindung gebracht worden; für elf der Proteine war dieser Zusammenhang jedoch bisher nicht bekannt gewesen. Mehrere dieser bisher unbekannten Proteine sind Teil der Reaktion des Immunsystems auf Erreger, die auch die Gerinnungsneigung erhöht. „Wir haben mit unserer neuen Methode also in kürzester Zeit Protein-Fingerabdrücke in Blutproben entdeckt, anhand derer wir jetzt Covid-19-Betroffene entsprechend der Schwere ihrer Erkrankung einteilen können“, sagt Dr. Christoph Messner, einer der Erstautoren der Studie und Wissenschaftler am Institut für Biochemie der Charité sowie am Francis Crick Institute. „Eine solche objektive Einschätzung kann sehr wertvoll sein, da die Patientinnen und Patienten ihren Gesundheitszustand zum Teil überschätzen. Um eine massenspektrometrische Analyse aber standardmäßig für die Klassifizierung von Covid-19-Betroffenen nutzen zu können, muss die Technik zu einem diagnostischen Test weiterentwickelt werden. In Zukunft könnte es darüber hinaus möglich sein, mit einer schnellen Analyse des Proteinmusters auch Aussagen über den voraussichtlichen Verlauf von Covid-19 zu treffen. Hierzu haben wir bereits erste vielversprechende Ergebnisse gesammelt, bis zu einem routinemäßigen Einsatz sind aber noch weitere Studien nötig.“

Prof. Ralser ist überzeugt, dass die massenspektrometrische Untersuchung des Blutes in Zukunft das klassische Blutbild ergänzen könnte: „Das Proteom zu bestimmen, kostet jetzt weniger als ein großes Blutbild. Durch die Bestimmung vieler Tausend Proteine gleichzeitig liefert eine Proteom-Analyse zusätzlich viel mehr Informationen. Ich sehe in einer flächendeckenden Anwendung deshalb großes Potenzial, beispielsweise für die frühzeitige Erkennung von Krankheiten. In unseren Studien werden wir daher weiter auf einen solchen Einsatz der Proteom-Technologie hinarbeiten.“ 

Quelle: Charité – Universitätsmedizin Berlin

26.03.2021

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