DE102022131674A1 - Diagnosis of metabolic changes in the liver using metabolic analysis of erythrocytes by mass spectrometry - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Analyse einer biologischen Probe nach Veränderungen von Signaturen von Schüssel-Metaboliten bei einer Erkrankung der Leber, umfassend(a) die Isolierung von Erythrozyten aus der biologischen Probe,(b) die Identifikation und gegebenenfalls Quantifizierung von Lipiden aus den Erythrozyten als Schlüsselmetaboliten für eine Lebererkrankung,(c) die Erfassung von Änderungen der Schlüsselmetaboliten der Lebererkrankung, und(d) die Diagnose einer Erkrankung der Leber.Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der Ergebnisse des Verfahrens in der personalisierten Medizin.The invention relates to methods for analyzing a biological sample for changes in signatures of key metabolites in a liver disease, comprising (a) isolating erythrocytes from the biological sample, (b) identifying and optionally quantifying lipids from the erythrocytes as key metabolites for a liver disease, (c) detecting changes in the key metabolites of the liver disease, and (d) diagnosing a liver disease.The invention further relates to the use of the results of the method in personalized medicine.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Analyse einer biologischen Probe nach Veränderungen von Signaturen von Schüssel-Metaboliten bei einer Erkrankung der Leber, umfassend
- (a) die Isolierung von Erythrozyten aus der biologischen Probe,
- (b) die Identifikation und gegebenenfalls Quantifizierung von Lipiden aus den Erythrozyten als Schlüsselmetaboliten für eine Lebererkrankung,
- (c) die Erfassung von Änderungen der Schlüsselmetaboliten der Lebererkrankung, und
- (d) die Diagnose einer Erkrankung der Leber.
- (a) the isolation of erythrocytes from the biological sample,
- (b) the identification and, where appropriate, quantification of erythrocyte lipids as key metabolites for liver disease,
- (c) the detection of changes in key liver disease metabolites, and
- (d) the diagnosis of liver disease.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der Ergebnisse des Verfahrens in der personalisierten Medizin.The invention further relates to the use of the results of the method in personalized medicine.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der individualisierten Medizin. Diese spielt insbesondere bei komplexen Krankheitsverläufen eine Rolle. Das Konzept der „individualisierten“ oder „personalisierten“ Versorgung, das eine Stratifizierung des Patienten auf der Grundlage einer besseren Einschätzung des komplexen Krankheitsverlaufs impliziert, ist eine Herausforderung, die für Schwerkranke jedoch viel versprechend ist. Eine umfassendere Überwachung des Stoffwechsels mit Hilfe der Massenspektrometrie zur Beurteilung des „Metaboloms“, d.h. der „Metabolomik“, hält derzeit Einzug in die klinische Routine (Kiehntopf et al., 2013). Diese Technik kann in einem „ungezielten“ Ansatz oder zur Überwachung spezifischer Gruppen von Analyten durchgeführt werden. Das Metabolom als komplexes Reaktionsnetzwerk fasst alle charakteristischen Stoffwechsel-Eigenschaften einer Zelle bzw. eines Gewebes oder Organismus zusammen. Der Begriff Metabolom wurde als „Summe aller Stoffwechselprodukte (Metabolite)“ in Analogie zu den Begriffen Genom, Transkriptom und Proteom geprägt und entsprechend benannt. Das Wort leitet sich von Metabolismus (= Stoffwechsel) ab. Gelegentlich wird für Metabolom auch die Bezeichnung Metabonom verwendet, besonders im Zusammenhang mit der Toxizitätsbeurteilung von Wirkstoffen.The invention lies in the field of individualized medicine. This plays a particularly important role in complex disease processes. The concept of "individualized" or "personalized" care, which implies stratification of the patient based on a better assessment of the complex disease process, is challenging but promising for seriously ill patients. More comprehensive monitoring of metabolism using mass spectrometry to assess the "metabolome", i.e. "metabolomics", is currently entering clinical routine (Kiehntopf et al., 2013). This technique can be carried out in an "untargeted" approach or to monitor specific groups of analytes. The metabolome as a complex reaction network summarizes all the characteristic metabolic properties of a cell, tissue or organism. The term metabolome was coined as the "sum of all metabolic products (metabolites)" in analogy to the terms genome, transcriptome and proteome and named accordingly. The word is derived from metabolism. Metabolome is sometimes also referred to as metabonomics, particularly in connection with the toxicity assessment of active substances.
Das Metabolom umfasst:
- • die Durchflussraten (= Umsatzraten), Metabolit-Spiegel und Enzymaktivitäten der einzelnen Stoffwechselwege,
- • die Interaktionen zwischen den verschiedenen Stoffwechselwegen sowie
- • die Kompartimentierung der verschiedenen Stoffwechselwege innerhalb der Zellen.
- • the flow rates (= turnover rates), metabolite levels and enzyme activities of the individual metabolic pathways,
- • the interactions between the different metabolic pathways and
- • the compartmentalization of the different metabolic pathways within the cells.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist der Einfluss des Nährstoff-Angebotes sowie der Effekt von Wirksubstanzen auf den Stoffwechsel und die verschiedenen Funktionen der Zellen, wie Zellproliferation, Differenzierung und Apoptose.Another aspect is the influence of the nutrient supply as well as the effect of active substances on the metabolism and the various functions of the cells, such as cell proliferation, differentiation and apoptosis.
Die Erforschung des Metaboloms wird als Metabolomik bezeichnet (im Englischen metabolomics oder metabonomics). Diese umfasst die Wechselwirkung der darin enthaltenen Metabolite, deren Identifizierung und Quantifizierung (vgl. Proteom und Genom). Als wesentliche Analysenmethoden werden in der Metabolomik GC/MS und LC/MS sowie NMR-Spektroskopie und Ionen-Mobilitäts-Spektrometer eingesetzt. Dabei kann man die Methoden aufspalten in Separationstechniken, Ionisationstechniken und Detektionstechniken. Da die Metaboliten von ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur sehr unterschiedlich sein können, reicht es oft nicht aus, nur eine Analysemethode zu benutzen, um das Metabolom eines Organismus komplett aufzuklären. Dazu kommt, dass es bis heute nicht bekannt ist, wie viele Stoffwechselprodukte es überhaupt gibt. Die häufigsten Probentypen sind Körperflüssigkeiten wie Plasma oder Serum, aber auch Harn, Liquor cerebrospinalis, Synovialflüssigkeit, Sputum oder Lavagen. Daneben kommen Gewebshomogenate bzw. Zellen oder Überstände von Zellkulturen in Betracht.The study of the metabolome is called metabolomics (or metabonomics). This includes the interaction of the metabolites contained therein, their identification and quantification (cf. proteome and genome). The main analysis methods used in metabolomics are GC/MS and LC/MS as well as NMR spectroscopy and ion mobility spectrometers. The methods can be split into separation techniques, ionization techniques and detection techniques. Since the metabolites can vary greatly in their chemical composition and structure, it is often not enough to use just one analysis method to fully elucidate the metabolome of an organism. In addition, it is still not known how many metabolic products there are. The most common sample types are body fluids such as plasma or serum, but also urine, cerebrospinal fluid, synovial fluid, sputum or lavage. Tissue homogenates or cells or supernatants from cell cultures can also be considered.
Im Bereich der Lebererkrankungen werden mit Hilfe der Massenspektrometrie Analyten wie z.B. die unkonjugierten und Glycin/Taurin-konjugierten primären Gallensäuren erfasst, wie in der Studie von Vanwijngarden et al. Während Bilirubin traditionell ausschließlich zur Überwachung der ausscheidenden Leberfunktion auf der Intensivstation dient, z.B., im am weitesten verbreiteten Scoringsystem für multiple Organdysfunktionen, dem Sepsis-related (manchmal auch Sequential) organ failure assessment (SOFA)-Score (Vincent et al., 1996), deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, dass Gallensäuren eine Leberfunktionsstörung mit höherer Sensitivität und Spezifität anzeigen könnten, (Recknagel et al., 2012) oder zumindest weitgehend unabhängig von Bilirubin erhöht sein könnten (Vanwijngaerden et al., 2014). In jedem Fall können diese bescheidenen Erhöhungen des Bilirubins, selbst unter Berücksichtigung der Ungenauigkeit der gegenwärtigen klinischen Methoden zur Beurteilung kleinster Veränderungen, mit einer ausgeprägten Beeinträchtigung des Metabolismus der Phasen I und II in Verbindung gebracht werden, was bei diesen Patienten mit einer negativen Prognose assoziiert ist (Kruger et al., 2009). Neben der Analyse von Metaboliten aus dem Plasma und Serum mit der Massenspektrometrie werden in der klinischen Funktionsdiagnostik bislang zahlreiche verschiedene Methoden eingesetzt, um Stoffwechselstörungen zu diagnostizieren. Dazu gehören biochemische Assays (die sogenannte klinische Chemie), die Atemgasanalytik und die Pulsdensitometrie. Stoffwechselstörungen der Leber werden zum einen mit Hilfe von endogenen Clearance-Assays untersucht. Die biochemische Messung von Enzymaktivitaten (Transaminasen, alkaline Phosphatase) werden zur Beurteilung des Leberschadens herangezogen, und zusammen mit Leberfunktion assoziierten Metaboliten (Cholesterin, Bilirubin, Albumin) zur Untersuchung der Leberfunktion kombiniert.In the field of liver disease, mass spectrometry is used to measure analytes such as unconjugated and glycine/taurine-conjugated primary bile acids, as in the study by Vanwijngarden et al. While bilirubin has traditionally only been used to monitor excretory liver function in the intensive care unit, e.g. in the most widely used scoring system for multiple organ dysfunction, the sepsis-related (sometimes sequential) organ failure assessment (SOFA) score (Vincent et al., 1996), recent findings suggest that bile acids may indicate liver dysfunction. with higher sensitivity and specificity (Recknagel et al., 2012) or at least might be elevated largely independently of bilirubin (Vanwijngaerden et al., 2014). In any case, even taking into account the inaccuracy of current clinical methods for assessing the smallest changes, these modest increases in bilirubin can be associated with a pronounced impairment of phase I and II metabolism, which is associated with a negative prognosis in these patients (Kruger et al., 2009). In addition to the analysis of metabolites from plasma and serum using mass spectrometry, numerous different methods have been used in clinical functional diagnostics to diagnose metabolic disorders. These include biochemical assays (so-called clinical chemistry), breath gas analysis and pulse densitometry. Metabolic disorders of the liver are investigated using endogenous clearance assays. Biochemical measurements of enzyme activities (transaminases, alkaline phosphatase) are used to assess liver damage and combined with liver function-associated metabolites (cholesterol, bilirubin, albumin) to examine liver function.
Des Weiteren kommen klinisch exogene Clearance-Assays zum Einsatz. Dazu gehören unter anderem:
- - der Indocyaningrün-Test (fluoreszenzbasierte Messung der exkretorischen Funktion);
- - der Galaktosebelastungstest (Injektion von Galaktose und Messung des Anteils, der über die Niere ausgeschieden wird);
- - der C14-Aminopyrin oder 14C-Galaktose Atemtest; und
- - die Koffein-Clearance.
- - the indocyanine green test (fluorescence-based measurement of excretory function);
- - the galactose tolerance test (injection of galactose and measurement of the portion excreted via the kidneys);
- - the C 14 -aminopyrine or 14 C-galactose breath test; and
- - caffeine clearance.
Unterstützt werden diese Assays im experimentellen Bereich mit bildgebenden Untersuchungsmethoden, die auf dem Matrix- Assistierten Laser-Desorption-Ionisierungs (MALDI) Imaging beruhen.These assays are supported in the experimental area with imaging methods based on matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) imaging.
Die konventionell eingesetzten Methoden weisen jedoch zahlreiche Nachteile auf. Biochemische Assays bedürfen oft einer aufwändigen Probenvorbereitung und Präanalytik. Kritisch ist der Transport der meist empfindlichen biologischen Proben. Atemgasanalytik ist sehr aufwändig. Dazu kommen zahlreiche klinische Nachteile. Biochemische Assays sind oft unpräzise, d.h. besitzen eine geringe Spezifität, und geben keinen genauen Aufschluss über den Stand der Dysfunktion. Oftmals basiert die Einschätzung auch auf Leberschädigungsparametern, die nur teilweise auf den Funktionsverlust und die Art des Funktionsverlusts hinweisen. Eine Differenzierung des Leberschadens ist mit diesen Assays nicht möglich. Die Atemgasanalytik ist in der Regel zeitaufwändig und bringt wenig Mehrgewinn. Es werden nur einzelne Analyte untersucht. Die Aussagekraft beschränkt sich hier, genauso wie bei der Fluoreszenzangiographie (Indocyanin Clearance Test) auf die Aussage der Leberfunktion. Die Art der Funktionsstörung kann nur indirekt beurteilt werden. Bei der Bildgebung von Metaboliten (Forschung) mittels MALDI gestaltet sich die Probenpräparation sehr aufwendig: Es werden spezielle beschichtete (Matrix) Objektträger verwendet. Für verschiedene Metabolitengruppen müssen verschiedene Beschichtungen verwendet werden. Bestimmte Metabolitengruppen können nicht gleichzeitig an einer Probe vermessen werden. Durch die Bildgebung wird die Probe in der Regel zerstört, eine Analytik im Anschluss ist nicht möglich. Die maximale erzielbare Auflösung ist relativ gering (Mikrometer-Maßstab).However, the conventionally used methods have numerous disadvantages. Biochemical assays often require complex sample preparation and pre-analytics. The transport of the usually sensitive biological samples is critical. Breath gas analysis is very complex. There are also numerous clinical disadvantages. Biochemical assays are often imprecise, i.e. they have low specificity, and do not provide precise information about the level of dysfunction. The assessment is often based on liver damage parameters, which only partially indicate the loss of function and the type of loss of function. Differentiation of liver damage is not possible with these assays. Breath gas analysis is usually time-consuming and offers little added value. Only individual analytes are examined. The informative value here, as with fluorescence angiography (indocyanine clearance test), is limited to the statement on liver function. The type of dysfunction can only be assessed indirectly. When imaging metabolites (research) using MALDI, sample preparation is very complex: Special coated (matrix) slides are used. Different coatings must be used for different metabolite groups. Certain metabolite groups cannot be measured on a sample at the same time. The sample is usually destroyed by imaging, and subsequent analysis is not possible. The maximum achievable resolution is relatively low (micrometer scale).
Es besteht deshalb der Bedarf, verbesserte Methoden für eine umfassendere Beurteilung des Stoffwechsels und des Metaboloms bereitzustellen. Im Bereich der Lebererkrankungen werden solche verbesserten Methoden wahrscheinlich die vorgefasste Vorstellung einer Leberfunktionsstörung, die ein eher spätes und seltenes Ereignis auf der Intensivstation widerspiegelt, in Frage stellen und könnten geeignete Instrumente sein, um die hepatobiliäre Funktion besser zu überwachen sowie die metabolischen Bedürfnisse und die Ernährungsunterstützung bei Schwerkranken zu personalisieren (Bauer & Kiehntopf, 2014).There is therefore a need to provide improved methods for a more comprehensive assessment of metabolism and the metabolome. In the field of liver disease, such improved methods are likely to challenge the preconceived notion of liver dysfunction reflecting a rather late and rare event in the ICU and may be suitable tools to better monitor hepatobiliary function and personalize metabolic needs and nutritional support in critically ill patients (Bauer & Kiehntopf, 2014).
Die
- (a) die Ermittlung gewünschter Messareale in der biologischen Probe anhand eines, mittels optischer Methoden erzeugten Bildes der biologischen Probe,
- (b) ein bild-basiertes Screening der in Schritt (a) ermittelten gewünschten Messareale mittels mindestens einer spektroskopischen Methode, umfassend
- ◯ die Identifikation und Quantifizierung von Schlüssel-Metaboliten der Stoffwechselerkrankung,
- ◯ die Erfassung von Änderungen der Schlüssel-Metaboliten der Stoffwechselerkrankung, und
- (c) die Diagnose einer Erkrankung oder die Bestimmung der Verteilung der Schlüssel-Metaboliten in der biologischen Probe.
- (a) the determination of desired measurement areas in the biological sample using an image of the biological sample generated by optical methods,
- (b) an image-based screening of the desired measurement areas determined in step (a) by means of at least one spectroscopic method, comprising
- ◯ the identification and quantification of key metabolites of the metabolic disease,
- ◯ the detection of changes in the key metabolites of the metabolic disease, and
- (c) diagnosing a disease or determining the distribution of key metabolites in the biological sample.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Diagnose von Stoffwechselerkrankungen und proliferativen Erkrankungen, ist aber messtechnisch aufwändig und entsprechende Maschinen noch nicht für den klinischen Routine-Gebrauch vollends etabliert und zertifiziert.The method according to the invention is particularly suitable for the diagnosis of metabolic diseases and proliferative diseases, but is technically complex and corresponding machines are not yet fully established and certified for routine clinical use.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, Methoden für eine umfassendere Beurteilung des Stoffwechsels und des Metaboloms bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen und sich durch die Messmethode der Massenspektrometrie in klinisch etablierten Infrastrukturen etablieren lässt.The object of the invention was to provide methods for a more comprehensive assessment of metabolism and the metabolome, which do not have the disadvantages of the state of the art and can be established in clinically established infrastructures using the measurement method of mass spectrometry.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren zur Analyse einer biologischen Probe nach Veränderungen von Signaturen von Schüssel-Metaboliten bei einer Erkrankung der Leber gemäß Anspruch 1 bereit.To achieve this object, the invention provides a method for analyzing a biological sample for changes in signatures of bowl metabolites in a liver disease according to claim 1.
Erfindungsgemäß wird unter einer „biologischen Probe“ jede Art biologischen Materials verstanden, in dem Erythrozyten vorhanden sind bzw. aus dem Erythrozyten isoliert werden können.According to the invention, a “biological sample” is understood to mean any type of biological material in which erythrocytes are present or from which erythrocytes can be isolated.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Menge an Schlüsselmetaboliten in einer Körperflüssigkeitsprobe nachgewiesen, die von einem Säugetier, am meisten bevorzugt einem Menschen, stammt. Der Begriff „Körperflüssigkeit“ bezieht sich auf alle Flüssigkeiten, die im menschlichen Körper vorhanden sind und in denen Erythrozyten vorhanden sind bzw. aus denen Erythrozyten isoliert werden können. Vorzugsweise sind Körperflüssigkeiten im Sinne der Erfindung ausgewählt aus Blut und Urin. Eine Blutprobe ist besonders bevorzugt. Die Blutprobe kann vor der Verwendung behandelt werden, z. B. mit einem Antikoagulans, wie z. B. EDTA.In a preferred embodiment, the amount of key metabolites is detected in a body fluid sample derived from a mammal, most preferably a human. The term "body fluid" refers to all fluids present in the human body in which erythrocytes are present or from which erythrocytes can be isolated. Preferably, body fluids within the meaning of the invention are selected from blood and urine. A blood sample is particularly preferred. The blood sample can be treated before use, e.g. with an anticoagulant such as EDTA.
Die biologische Probe kann auch eine Gewebeprobe oder eine Biopsie sein, in der Reste von Blut und somit Erythrozyten enthalten sind.The biological sample can also be a tissue sample or a biopsy that contains traces of blood and therefore erythrocytes.
Die biologische Probe kann auch eine Probe einer Zellkultur von Erythrozyten sein.The biological sample can also be a sample from a cell culture of erythrocytes.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die biologische Probe eine Probe, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Blut, Urin, eine Gewebeprobe, eine Biopsie, und eine Zellkultur, wobei die biologische Probe Erythrozyten enthält.In a particularly preferred embodiment, the biological sample is a sample selected from the group comprising blood, urine, a tissue sample, a biopsy, and a cell culture, wherein the biological sample contains erythrocytes.
In einer Ausführungsform der Erfindung schließt das Verfahren zur Analyse von biologischen Proben nach Veränderungen von Signaturen von Schüsselmetaboliten bei einer Erkrankung den Schritt der Entnahme der biologischen Probe von einem Probanden ein. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das erfindungsgemäße Verfahren an einer biologischen Probe durchgeführt, die zuvor von einem Probanden entnommen worden ist.In one embodiment of the invention, the method for analyzing biological samples for changes in signatures of key metabolites in a disease includes the step of taking the biological sample from a test subject. However, it is particularly preferred if the method according to the invention is carried out on a biological sample that has previously been taken from a test subject.
Der Begriff „Proband“ bezieht sich auf ein Säugetier, das an einer Erkrankung, wie beispielsweise einer Stoffwechselerkrankung oder einer Krebserkrankung leidet oder bei dem der Verdacht besteht, dass es daran leidet. Vorzugsweise bezieht sich der Begriff „Proband“ auf einen Menschen.The term "subject" refers to a mammal that suffers from, or is suspected of suffering from, a disease such as a metabolic disease or cancer. Preferably, the term "subject" refers to a human.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht insbesondere darauf, Erythrozyten als zelluläres Kompartiment zu verwenden, um potenzielle Unterschiede im Lipidprofil aufzudecken und eine frühzeitige Diagnose und Behandlung von Lebererkrankungen zu ermöglichen. Die in Erythrozyten vorhandenen Lipide sind dabei die Schlüsselmetabolite, die mit dem Verfahren der Erfindung analysiert werden.The method according to the invention is based in particular on using erythrocytes as a cellular compartment to reveal potential differences in the lipid profile and to enable early diagnosis and treatment of liver diseases. The lipids present in erythrocytes are the key metabolites that are analyzed using the method of the invention.
Die Erythrozyten stellen mit 4-5 Millionen Erythrozyten pro Mikroliter Blut die größte zelluläre Fraktion des Blutes dar. Was ihre Morphologie betrifft, so sind die Erythrozyten bikonkave, kreisförmige Zellen mit einem Durchmesser von etwa 7,5 µm. Hämoglobin ist das molekulare Äquivalent, das die rote Farbe verursacht. Es ist das eisenhaltige Metalloprotein für den Sauerstofftransport, das die Hauptfunktion der Erythrozyten ermöglicht. Beim Passieren der Lungenkapillaren binden die roten Blutkörperchen Sauerstoff an Hämoglobin, wodurch Oxyhämoglobin für den peripheren Transport gebildet wird. (Kuhn et al, 2917) Erythrozyten sind aber auch an anderen physiologischen Vorgängen beteiligt, z. B. an der Regulierung des Tonus der Blutgefäße, der durch Scherstress verursacht wird. (Sun et al, 2021) Die Ausschüttung von Adenosintriphosphat (ATP) oder S-Nitrosothiolen kann die Gefäßwände direkt entspannen und so die mikrovaskuläre Transfusion verbessern. (Barvitenko et al,., 2005, Kuhn et al., 2017) Interessanterweise fehlt den roten Blutkörperchen ein Zellkern, Ribosomen und ein endoplasmatisches Retikulum. (Smith, J. E., 1987) Erythrozyten sind nicht in der Lage, eine Proteinsynthese oder aerobe Zellatmung durchzuführen. Die anaerobe Glykolyse bleibt daher die einzig mögliche Strategie zur ATP-Gewinnung. Eine weitere Schlussfolgerung aus der Erythrozytenphysiologie ist, dass proteomische Veränderungen aufgrund der ungeeigneten Proteinsynthesemaschinerie nicht so stark an Veränderungen der Mikroumgebung angepasst werden können, was die Erythrozyten zu einem interessanten Ziel für den Nachweis molekularer Veränderungen macht.Erythrocytes represent the largest cellular fraction of blood, with 4-5 million erythrocytes per microliter of blood. In terms of their morphology, erythrocytes are biconcave, circular cells with a diameter of about 7.5 µm. Hemoglobin is the molecular equivalent that causes the red color. It is the iron-containing metalloprotein for oxygen transport that enables the main function of erythrocytes. As they pass through the pulmonary capillaries, red blood cells bind oxygen to hemoglobin, forming oxyhemoglobin for peripheral transport. (Kuhn et al, 2917) Erythrocytes but are also involved in other physiological processes, such as regulating blood vessel tone caused by shear stress. (Sun et al, 2021) The release of adenosine triphosphate (ATP) or S-nitrosothiols can directly relax vessel walls, thereby improving microvascular transfusion. (Barvitenko et al,., 2005, Kuhn et al., 2017) Interestingly, red blood cells lack a nucleus, ribosomes, and an endoplasmic reticulum. (Smith, JE, 1987) Erythrocytes are unable to perform protein synthesis or aerobic cellular respiration. Anaerobic glycolysis therefore remains the only possible strategy for ATP production. Another conclusion from erythrocyte physiology is that proteomic changes cannot be adapted to changes in the microenvironment due to the inappropriate protein synthesis machinery, making erythrocytes an interesting target for the detection of molecular changes.
Die umgebende Zellmembran besteht hauptsächlich aus einer typischen Lipiddoppelschicht. Cholesterin und Phospholipide sind die wesentlichen Elemente der inneren und äußeren Schicht der Membran. Vergleicht man beide Strukturen, so zeigen sich Unterschiede in der Lipidverteilung. Während Phosphatidylcholine (PC) und Sphingomyeline (SM) an der Oberfläche häufiger vorkommen, überwiegen Phosphatidylethanolamine (PE) und Phosphatidylserine (PS) in der intrazellulären Schicht (siehe auch
Bei der Diagnostik von Erythrozyten wird heutzutage hauptsächlich auf ein quantitatives und morphologisches Muster geachtet. Die Charakterisierung der Eigenschaften der Erythrozyten basiert im Wesentlichen auf der Anzahl und den volumetrischen Merkmalen im Allgemeinen. Das mikroskopische Erscheinungsbild der Erythrozyten in einem Blutausstrich kann abstrakte Formationen wie Akanthozyten, Fragmentozyten oder Sphärozyten zeigen, die das Diagnoseverfahren in vielen Fällen erleichtern können. (Düzenli et al., 2020, Ford, J., 2013) Im Rahmen des Verfahrens der Erfindung wird nunmehr die Zusammensetzung der Erythrozyten als unabhängiges Kompartiment, insbesondere die Lipidzusammensetzung, für die Erkennung verschiedener organischer Krankheiten, vorzugsweise von Erkrankungen der Leber, genutzt.Nowadays, when diagnosing erythrocytes, attention is mainly paid to a quantitative and morphological pattern. The characterization of the properties of the erythrocytes is essentially based on the number and volumetric characteristics in general. The microscopic appearance of the erythrocytes in a blood smear can show abstract formations such as acanthocytes, fragmentocytes or spherocytes, which can facilitate the diagnostic procedure in many cases. (Düzenli et al., 2020, Ford, J., 2013) Within the scope of the method of the invention, the composition of the erythrocytes is now used as an independent compartment, in particular the lipid composition, for the detection of various organic diseases, preferably liver diseases.
Die Analyse der Lipide der Erythrozyten erfolgt mit spektroskopischen Methoden, besonders bevorzugt mittels Massenspektrometrie (MS).The analysis of erythrocyte lipids is carried out using spectroscopic methods, particularly preferably using mass spectrometry (MS).
Die Massenspektrometrie (MS) ist eine weit verbreitete und gut etablierte Methode zur Quantifizierung verschiedener molekularer Veränderungen in unterschiedlichen Proben. Das Prinzip der Massenspektrometrie besteht in der Analyse des Massenladungsquotienten für ein einzelnes Molekül, das leicht mit einer Standardmischung oder einer weltweiten Datenbanktechnologie verglichen werden kann. Moleküle, die das Spektrometer passieren, müssen in einem ersten Schritt desorbiert werden, gefolgt von einem Ionisierungsschritt, um eine spezifische molekulare Ladung einzuführen. Leistungsstarke Turbopumpen erzeugen ein Hochvakuum im MS, so dass die Moleküle ohne Reibung passieren können. Die induzierten Ionen können anschließend beschleunigt und in elektrischen Feldern getrennt werden, um sie auf die Oberfläche des Detektors zu leiten. (Loos et al., 2016) Die bisherige HochdruckFlüssigkeitschromatographie (HPLC) ermöglicht die effektive Trennung von Molekülen in komplexen Probenmatrizes durch Fraktionierung. Die Kombination beider Techniken ermöglicht wertvolle Messungen in verschiedenen Anwendungsbereichen. (Wilson et al., 2005)Mass spectrometry (MS) is a widely used and well-established method for quantifying various molecular changes in different samples. The principle of mass spectrometry is to analyze the mass charge quotient for a single molecule, which can be easily compared to a standard mixture or a worldwide database technology. Molecules passing through the spectrometer must be desorbed in a first step, followed by an ionization step to introduce a specific molecular charge. Powerful turbo pumps create a high vacuum in the MS so that the molecules can pass without friction. The induced ions can then be accelerated and separated in electric fields to guide them to the surface of the detector. (Loos et al., 2016) The previous high pressure liquid chromatography (HPLC) allows the effective separation of molecules in complex sample matrices by fractionation. The combination of both techniques enables valuable measurements in various application areas. (Wilson et al., 2005)
Die Lipidomik ist ein Teilgebiet der Metabolomik, das sich hauptsächlich auf verschiedene Lipiduntergruppen konzentriert, die an Signal-, Membran- oder Stoffwechselwegen beteiligt sind. (Luque et al., 2020, Züllig et al., 2020) Viele neuere Studien zeigen, dass Lipide eine zentrale Rolle in der Pathophysiologie der Sepsis spielen und zum zentralen Bestandteil potenzieller Diagnose- und Therapieziele werden könnten. (Amungama et al., 2021)Lipidomics is a subfield of metabolomics that mainly focuses on different lipid subgroups involved in signaling, membrane or metabolic pathways. (Luque et al., 2020, Züllig et al., 2020) Many recent studies show that lipids play a central role in the pathophysiology of sepsis and could become the central component of potential diagnostic and therapeutic targets. (Amungama et al., 2021)
Phospholipide, die an verschiedenen wichtigen molekularen Prozessen beteiligt sind, können in Glycerophospholipide und Sphingolipide eingeteilt werden. Beide Moleküle sind an Phosphat gebunden, unterscheiden sich aber in der Struktur des Lipidrückgrats. Während Glycerophospholipide Glycerin und zwei Fettsäureketten enthalten, enthalten die Sphingolipide Sphingosin und eine zusätzliche Fettsäurekette. (siehe auch
Bevorzugte Schlüsselmetabolite für das Verfahren der Erfindung sind daher Lipide aus Erythrozyten, vorzugsweise Phospholipide und Sphingolipide, besonders bevorzugt Lipide, die unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe umfassend Phosphatidylcholine (PC), Ceramide (Cer), Sphingomyeline (SM), Lysophosphatidylethanolamine (LPE), und Lysophosphatidylcholine (LPC).Preferred key metabolites for the method of the invention are therefore lipids from erythrocytes, preferably phospholipids and sphingolipids, particularly preferably lipids which independently selected from the group comprising phosphatidylcholines (PC), ceramides (Cer), sphingomyelins (SM), lysophosphatidylethanolamines (LPE), and lysophosphatidylcholines (LPC).
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Phosphatidylcholine sind beispielsweise ausgewählt aus
PC (28:0), PC (30:0), PC (30:1), PC (32:0), PC (32:1), PC (34:1), PC (34:2), PC (36:0), PC (36:1), PC (36:2), PC (36:3), PC (36:4), PC (38:0), PC (38:1), PC (38:2), PC (38:3) und PC (38:4).Phosphatidylcholines suitable for the process according to the invention are selected, for example, from
PC (28:0), PC (30:0), PC (30:1), PC (32:0), PC (32:1), PC (34:1), PC (34:2), PC (36:0), PC (36:1), PC (36:2), PC (36:3), PC (36:4), PC (38:0), PC (38:1), PC (38:2), PC (38:3) and PC (38:4).
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Sphingomyeline sind beispielsweise ausgewählt aus
SM (14:0), SM (16:0), SM (18:0), SM (18:1), SM (20:0), SM (22:0), SM (24:0), SM (24:1), SM (26:0) und SM (26: 1).Sphingomyelins suitable for the method according to the invention are selected, for example, from
SM (14:0), SM (16:0), SM (18:0), SM (18:1), SM (20:0), SM (22:0), SM (24:0), SM (24:1), SM (26:0) and SM (26:1).
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Lysophosphatidylethanolamine sind beispielsweise ausgewählt aus
LPE (16:0), LPE (16:1), LPE (18:0), LPE (18:1), LPE (18:2) und LPE (20:4).Lysophosphatidylethanolamines suitable for the process according to the invention are selected, for example, from
LPE (16:0), LPE (16:1), LPE (18:0), LPE (18:1), LPE (18:2) and LPE (20:4).
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Ceramide sind beispielsweise ausgewählt aus Cer (14:0), Cer (16:0), Cer (18:0), Cer (18:1), Cer (20:0), Cer (22:0), Cer (24:0) und Cer (24:1)Ceramides suitable for the process according to the invention are selected, for example, from Cer (14:0), Cer (16:0), Cer (18:0), Cer (18:1), Cer (20:0), Cer (22:0), Cer (24:0) and Cer (24:1)
Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Lysophosphatidylcholine sind beispielsweise ausgewählt aus
LPC (16:0), LPC (16:1), LPC (18:0), LPC (18:1), LPC (18:2), LPC (20:0), LPC (20:1), LPC (20:3) und LPC (20:4).Lysophosphatidylcholines suitable for the process according to the invention are selected, for example, from
LPC (16:0), LPC (16:1), LPC (18:0), LPC (18:1), LPC (18:2), LPC (20:0), LPC (20:1), LPC (20:3) and LPC (20:4).
In den hier aufgeführten Beispielverbindungen symbolisieren die Zahlen in den Klammern die Kettenlänge des Lipids und die Anzahl an Doppelbindungen im Molekül (Kettenlänge des Lipids : Anzahl an Doppelbindungen im Molekül).In the example compounds listed here, the numbers in brackets symbolize the chain length of the lipid and the number of double bonds in the molecule (chain length of the lipid : number of double bonds in the molecule).
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit dem bereitgestellten Verfahren die Analyse einer Kombination aus einer Vielzahl verschiedener Lipide als Schlüsselmetabolite der Erythrozyten durchgeführt werden kann. Damit können in biologischen Proben Veränderungen von Signaturen von Schüsselmetaboliten bei einer Erkrankung erkannt werden und zur Diagnose einer Stoffwechselerkrankung oder Stoffwechselstörung, insbesondere in der Leber, genutzt werden. Dies ist so aus dem Stand der Technik noch nicht bekannt.A particular advantage of the invention is that the method provided can be used to analyze a combination of a large number of different lipids as key metabolites of erythrocytes. This allows changes in signatures of key metabolites in biological samples to be recognized in the case of a disease and used to diagnose a metabolic disease or metabolic disorder, particularly in the liver. This is not yet known from the prior art.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein Massenspektrum der biologischen Probe mit mindestens einem Schlüsselmetaboliten gemessen.According to the invention, at least one mass spectrum of the biological sample is measured with at least one key metabolite.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird mehr als ein Massenspektrum für mehr als einen Schlüsselmetaboliten der biologischen Probe gemessen. Vorzugsweise werden zwischen zwei bis zehn Massenspektren, besonders bevorzugt zwischen zwei bis fünf Massenspektren für die entsprechende Anzahl an Schlüsselmetaboliten gemessen.In one embodiment of the invention, more than one mass spectrum is measured for more than one key metabolite of the biological sample. Preferably, between two to ten mass spectra, particularly preferably between two to five mass spectra are measured for the corresponding number of key metabolites.
Vorteilhafterweise benötigt die Massenspektrometrie nur geringe Mengen an Proben zur Durchführung. Dementsprechend werden in einer Ausführungsform der Erfindung zwischen 1µl und 150µl, bevorzugt zwischen 30µl und 100µl, am meisten bevorzugt 50µl der biologischen Probe zur Messung mittels Massenspektrometrie verwendet. Da biologische Proben aus dem Bereich der medizinischen Diagnostik ein begrenztes Volumen haben, ist es von großem Vorteil, dass nur ein kleiner Teil der biologischen Probe zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig ist. Dies ermöglicht eine allgemeine ungezielte Screening-Diagnostik für alle Proben vor oder parallel zu einer gezielten konventionellen Labordiagnostik. Dennoch steht ein überwiegender Teil einer biologischen Probe zur Durchführung weiterer Diagnostik, wie z. B. der medizinischen Routinediagnostik im Labor, zur Verfügung.Advantageously, mass spectrometry requires only small amounts of samples to be carried out. Accordingly, in one embodiment of the invention, between 1 µl and 150 µl, preferably between 30 µl and 100 µl, most preferably 50 µl of the biological sample is used for measurement by mass spectrometry. Since biological samples from the field of medical diagnostics have a limited volume, it is a great advantage that only a small part of the biological sample is necessary to carry out the method according to the invention. This enables general, untargeted screening diagnostics for all samples before or in parallel with targeted conventional laboratory diagnostics. Nevertheless, a predominant part of a biological sample is available for carrying out further diagnostics, such as routine medical diagnostics in the laboratory.
Basierend auf den ermittelten Unterschieden in der Art, der Menge bzw. dem Muster an Schlüsselmetaboliten (hierin zusammenfassend auch als „Signatur“ der Schlüsselmetabolite bezeichnet), die in einer von einem Probanden gewonnenen biologischen Probe im Vergleich zu einer normalen Kontrollprobe vorhanden ist, kann eine Korrelation der Art oder Menge eines oder mehrerer Schlüsselmetaboliten mit einer wahrscheinlichen Diagnose einer Erkrankung hergestellt werden. Ein statistisch signifikanter Anstieg der Menge eines oder mehrerer Schlüsselmetaboliten im Vergleich zu den Kontrollproben ist hinreichend prädiktiv dafür, dass der Proband an einer für den oder die Schlüsselmetaboliten oder ein bestimmtes Muster an Schlüsselmetaboliten typischen Erkrankung leidet. Eine normale Menge eines oder mehrerer Schlüsselmetaboliten oder ein normales Muster an Schlüsselmetaboliten, wie sie für eine Kontrollprobe, die aus einer normalen Population isoliert wurde, charakteristisch ist, zeigt an, dass der Patient keine für den oder die Schlüsselmetaboliten oder ein bestimmtes Muster an Schlüsselmetaboliten typische Erkrankung hat. Ein positiver Hinweis auf eine Erkrankung, der auf einer erhöhten oder reduzierten Menge eines oder mehrerer Schlüsselmetaboliten oder einem veränderten Muster an Schlüsselmetaboliten im Vergleich zu einer normalen Kontrolle basiert, wird im Allgemeinen zusammen mit anderen Faktoren bei der endgültigen Bestimmung einer bestimmten Erkrankung berücksichtigt. Daher werden die erhöhten oder verringerten Mengen eines oder mehrerer Schlüsselmetaboliten oder ein verändertes Muster an Schlüsselmetaboliten des getesteten Probanden in der Regel zusammen mit anderen akzeptierten klinischen Symptomen der jeweiligen Krankheit bei der Erstellung einer bestimmenden Diagnose solch einer Erkrankung berücksichtigt.Based on the identified differences in the type, amount or pattern of key metabolites (collectively referred to herein as the key metabolite signature) present in a biological sample obtained from a subject compared to a normal control sample, a correlation can be made between the type or amount of one or more key metabolites and a probable diagnosis of a disease. A statistically significant increase in the amount of one or more key metabolites compared to the control samples is sufficiently predictive that the subject has a disease specific to the key metabolite(s) or a particular pattern of key metabolites. metabolites. A normal amount of one or more key metabolites or a normal pattern of key metabolites, as characteristic of a control sample isolated from a normal population, indicates that the patient does not have a disease typical of the key metabolite(s) or a particular pattern of key metabolites. A positive indication of disease based on an increased or decreased amount of one or more key metabolites or an altered pattern of key metabolites compared to a normal control will generally be considered along with other factors in making a final determination of a particular disease. Therefore, the increased or decreased amounts of one or more key metabolites or an altered pattern of key metabolites in the subject being tested will generally be considered along with other accepted clinical signs of the particular disease in making a definitive diagnosis of such a disease.
Schlüsselmetabolite sind krankheitsspezifisch und werden ggf. erst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren identifiziert und detektiert.Key metabolites are disease-specific and may only be identified and detected using the method according to the invention.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Analyse einer biologischen Probe nach Veränderungen von Signaturen von Schüssel-Metaboliten bei einer Erkrankung der Leber, umfassend
- (a) die Isolierung von Erythrozyten aus der biologischen Probe,
- (b) die Identifikation und gegebenenfalls Quantifizierung von Lipiden aus Erythrozyten als Schlüsselmetaboliten für eine Lebererkrankung,
- (c) die Erfassung von Änderungen der Schlüsselmetaboliten der Lebererkrankung, und
- (d) die Diagnose einer Erkrankung der Leber.
- (a) the isolation of erythrocytes from the biological sample,
- (b) the identification and, where appropriate, quantification of erythrocyte lipids as key metabolites for liver disease,
- (c) the detection of changes in key liver disease metabolites, and
- (d) the diagnosis of liver disease.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin übliche, dem Fachmann geläufige Schritte zur Probenvorbereitung für die Massenspektrometrie umfassen.The method according to the invention can further comprise conventional steps for sample preparation for mass spectrometry which are familiar to the person skilled in the art.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des Verfahrens zur Analyse einer biologischen Probe nach Veränderungen von Signaturen von Schüsselmetaboliten bei einer Erkrankung zur Diagnose einer Stoffwechselerkrankung, Stoffwechselstörung oder einer proliferativen Erkrankung.The invention further relates to the use of the method for analyzing a biological sample for changes in signatures of key metabolites in a disease for diagnosing a metabolic disease, metabolic disorder or a proliferative disease.
Dies betrifft z.B. das Isolieren der Erythrozyten aus einer biologischen Probe. Vorzugsweise wird für die Isolierung Vollblut eines Probanden verwendet. Bei der Probenahme werden dem Vollblut für die weiteren Verarbeitungsschritte Mittel zum Verhindern der Blutgerinnung, vorzugsweise Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) zugesetzt. Weitere Schritte zur Isolation der Erythrozyten aus einer biologischen Probe, umfassen üblicherweise das Sedimentieren der Erythrozyten mittels Zentrifugation (z.B. bei 1.000 g für 10 min. bei 20 °C) zur Abtrennung der zellulären Blutbestandteile, das Waschen der sedimentierten Erythrozyten mit einer Pufferlösung (z.B. PBS) und erneutes Zentrifugieren (bei 1.000 g für 10 Minuten bei 20 °C), und das Einlagern bei -80 °C.This concerns, for example, the isolation of erythrocytes from a biological sample. Whole blood from a test subject is preferably used for the isolation. When the sample is taken, agents to prevent blood clotting, preferably ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), are added to the whole blood for the further processing steps. Further steps for isolating erythrocytes from a biological sample usually include sedimenting the erythrocytes by centrifugation (e.g. at 1,000 g for 10 minutes at 20 °C) to separate the cellular blood components, washing the sedimented erythrocytes with a buffer solution (e.g. PBS) and centrifuging again (at 1,000 g for 10 minutes at 20 °C), and storing them at -80 °C.
Weitere Schritte der Probenvorbereitung sind üblicherweise für die Analyse von Schlüsselmetaboliten mittels Massenspektrometrie notwendig. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Probenvorbereitung unter standardisierten Bedingungen durchgeführt, um den Vorgaben der Guten Laborpraxis (GLP) gerecht zu werden und um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.Further sample preparation steps are usually necessary for the analysis of key metabolites using mass spectrometry. It is particularly preferred if sample preparation is carried out under standardized conditions in order to comply with the requirements of Good Laboratory Practice (GLP) and to achieve reproducible results.
So wird eine eingelagerte Probe der Erythrozyten aufgetaut, ein vordefiniertes Volumen entnommen und mit einem vordefinierten Volumen eines Lösungsmittels und einem vordefinierten Volumen einer internen Standardmischung (siehe Tabelle 1) gemischt.For example, a stored red blood cell sample is thawed, a predefined volume is removed and mixed with a predefined volume of solvent and a predefined volume of an internal standard mixture (see Table 1).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden 80 µl isolierte Erythrozyten mit 790 µl Methanol und 10 µl der internen Standardmischung gemischt.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, 80 µl of isolated erythrocytes are mixed with 790 µl of methanol and 10 µl of the internal standard mixture.
Die Probenvorbereitung für die Massenspektrometrie umfasst üblicherweise weitere, dem Fachmann bekannte Schritte, wie:
- - einen Schritt des Rotierens der Mischung für eine vordefinierte Zeitdauer bei Raumtemperatur;
- - einen Schritt des Präzipitierens über Nacht bei einer Temperatur von -80°C;
- - einen Schritt des Zentrifugierens;
- - einen Schritt des Verdampfens des Überstands nach der Zentrifugation;
- - einen Schritt des Lösens der eingedampften Probe in einem Lösungsmittel; und
- - das Einlagern der Probe bei einer Temperatur von -80°C.
- - a step of rotating the mixture for a predefined period of time at room temperature;
- - a precipitation step overnight at a temperature of -80°C;
- - a centrifugation step;
- - a step of evaporation of the supernatant after centrifugation;
- - a step of dissolving the evaporated sample in a solvent; and
- - storing the sample at a temperature of -80°C.
Der Schritt des Rotierens der Mischung für eine vordefinierte Zeitdauer bei Raumtemperatur kann beispielsweise in einem Vortex-Mischer bei Hochgeschwindigkeit für 1 min. durchgeführt werden und anschließend in einem Rotationsmischer für 20 min. bei 15 Umdrehungen pro Minute.The step of rotating the mixture for a predefined period of time at room temperature can, for example, be carried out in a vortex mixer at high speed for 1 min. and then in a rotary mixer for 20 min. at 15 revolutions per minute.
Das Zentrifugieren kann beispielsweise bei 10.000 g für 10 min. bei 4°C durchgeführt werden.Centrifugation can be carried out, for example, at 10,000 g for 10 min. at 4°C.
Der Schritt des Verdampfens des Überstands kann beispielsweise bei 50°C für 90 min. in einer Vakuumzentrifuge durchgeführt werden.The step of evaporating the supernatant can be carried out, for example, at 50°C for 90 min. in a vacuum centrifuge.
Danach kann die Probe beispielsweise in einem Lösungsmittel, wie Methanol, vorzugsweise 100 µl Methanol, resuspendiert werden.The sample can then be resuspended in a solvent such as methanol, preferably 100 µl methanol.
Die resuspendierte Probe kann dann direkt der Analyse mittels Massenspektrometrie zugeführt werden oder bei einer Temperatur von -80 °C zwischengelagert werden.The resuspended sample can then be directly analyzed by mass spectrometry or temporarily stored at a temperature of -80 °C.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Probenvorbereitung für die Massenspektrometrie folgende Schritte:
- - einen Schritt des Rotierens einer Mischung aus 80 µl isolierte Erythrozyten mit 790 µl Methanol und 10 µl der internen Standardmischung bei Raumtemperatur für 1 min. bei Hochgeschwindigkeit in einem Vortexmischer und anschließend in einem Rotationsmischer für 20 min. bei 15 Umdrehungen pro Minute;
- - einen Schritt des Präzipitierens über Nacht bei einer Temperatur von -80°C;
- - einen Schritt des Zentrifugierens bei 10.000 g für 10 min. bei 4°C;
- - einen Schritt des Verdampfens des Überstands nach der Zentrifugation bei 50°C für 90 min. in einer Vakuumzentrifuge;
- - einen Schritt des Lösens der eingedampften Probe in 100 µl Methanol; und
- - optional das Einlagern der Probe bei einer Temperatur von -80°C.
- - a step of rotating a mixture of 80 µl of isolated red blood cells with 790 µl of methanol and 10 µl of the internal standard mixture at room temperature for 1 min. at high speed in a vortex mixer and then in a rotary mixer for 20 min. at 15 revolutions per minute;
- - a precipitation step overnight at a temperature of -80°C;
- - a centrifugation step at 10,000 g for 10 min. at 4°C;
- - a step of evaporation of the supernatant after centrifugation at 50°C for 90 min. in a vacuum centrifuge;
- - a step of dissolving the evaporated sample in 100 µl methanol; and
- - optionally storing the sample at a temperature of -80°C.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des Verfahrens zur Analyse einer biologischen Probe nach Veränderungen von Signaturen von Schlüsselmetaboliten bei einer Erkrankung zur Diagnose einer Stoffwechselerkrankung oder Stoffwechselstörung, insbesondere der Leber.The invention further relates to the use of the method for analyzing a biological sample for changes in signatures of key metabolites in a disease for diagnosing a metabolic disease or metabolic disorder, in particular of the liver.
Der Schritt „Diagnose der Erkrankung“ des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dann weiterhin die Schritte:
- • Vergleichen der nachgewiesenen Menge eines oder mehrerer Schlüsselmetabolite in der biologischen Probe mit einer für eine normale Kontrollprobe charakteristischen Menge der Schlüsselmetabolite (Referenzbereich); und/oder
- • Vergleichen der Identität eines oder mehrerer Schlüsselmetabolite in der biologischen Probe mit den in einer normalen Kontrollprobe bzw. Referenzbereich vorhandenen Schlüsselmetaboliten; wobei die Anwesenheit zusätzlicher Schlüsselmetabolite oder die Abwesenheit von Schlüsselmetaboliten, vorzugsweise die Anwesenheit zusätzlicher Schlüsselmetabolite in der biologischen Probe im Vergleich zur normalen Kontrollprobe ein positiver Indikator für die Erkrankung ist; und/oder
- • Vergleichen des Musters an Schlüsselmetaboliten in der biologischen Probe mit dem Muster an Schlüsselmetaboliten in einer normalen Kontrollprobe bzw. mit einem Referenzbereich; wobei die Änderungen des Musters an Schlüsselmetaboliten in der biologischen Probe im Vergleich zur normalen Kontrollprobe ein positiver Indikator für die Erkrankung ist.
- • comparing the detected amount of one or more key metabolites in the biological sample with an amount of the key metabolites characteristic of a normal control sample (reference range); and/or
- • comparing the identity of one or more key metabolites in the biological sample with the key metabolites present in a normal control sample or reference range; the presence of additional key metabolites or the absence of key metabolites, preferably the presence of additional key metabolites in the biological sample compared to the normal control sample is a positive indicator of the disease; and/or
- • Comparing the pattern of key metabolites in the biological sample with the pattern of key metabolites in a normal control sample or with a reference range; where the change in the pattern of key metabolites in the biological sample compared to the normal control sample is a positive indicator of the disease.
In einer besonders bevorzugten Variante stützt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Untersuchung von Blutproben, wobei die Analyse der Signaturen von Lipiden bzw. des Lipidprofils von Erythrozyten durchgeführt wird.In a particularly preferred variant, the method according to the invention is based on the examination of blood samples, whereby the analysis of the signatures of lipids or the lipid profile of erythrocytes is carried out.
Dadurch kann anhand der Signatur der Lipide festgestellt werden, ob das untersuchte Gewebe, insbesondere der Leber, und damit der Proband, erkrankt ist oder nicht.This makes it possible to determine, based on the signature of the lipids, whether the tissue being examined, in particular the liver, and thus the test subject, is diseased or not.
Die Datenauswertung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst üblicherweise Schritte wie:
- - Datenvalidierung;
- - Interpretation;
- - Vergleich mit Referenzen; und
- - Kategorisierung.
- - Data validation;
- - Interpretations;
- - Comparison with references; and
- - Categorization.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Diagnose von metabolischen Veränderungen der Leber gemäß Schritt v. anhand der Veränderungen vordefinierter Lipidfraktionen, d.h. anhand von Schlüsselmetaboliten / Lipiden durchgeführt, die für eine bestimmte Lebererkrankung typisch sind.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the diagnosis of metabolic changes in the liver according to step v. is carried out on the basis of the changes in predefined lipid fractions, i.e. on the basis of key metabolites/lipids that are typical for a particular liver disease.
Die Identifikation der Schlüsselmetabolite erfolgt vorzugsweise durch Korrelation mit einer spektralen Referenzbibliothek von Reinsubstanzen. Eine solche Vorgehensweise ist dem Fachmann bekannt. Der Schritt der Analyse und Auswertung der metabolischen Signatur erfolgt vorzugsweise mittels statistischer Methoden. Die Spektroskopie Daten können durch rein visuellen Vergleich analysiert werden, um die krankheitsrelevanten Informationen zu extrahieren, oder durch Anwendung geeigneter statistischer Methoden, die dem Fachmann bekannt sind und ausgewählt werden. Hierzu eignen sich sämtliche unüberwachte und überwachte statistische Methoden. Zu den überwachten statistischen Methoden gehören zum Beispiel die Hauptkomponentenanalyse. Zu den überwachten statistischen Modellen gehören zum Beispiel die lineare Diskriminanzanalyse, Support-Vektor-Maschine, Partielle Kleinste-Quadrate-Regression, Random-Forest, neuronale Netzwerkanalyse und Maschinelles Lernen. Weiterhin können Verfahren für die Probenklassifizierung und Visualisierung der Komponentenverteilung (alleine oder in Kombination mit überwachten und unüberwachten statistischen Methoden) eingesetzt werden. Geeignete Verfahren zur Probenklassifizierung und Visualisierung sind zum Beispiel: Abundanz Analysen und Clusteranalysemethoden. Zu diesen gehören zum Beispiel: Vektorkomponentenanalyse, NFINDR und k-means-Clustering.The key metabolites are preferably identified by correlation with a spectral reference library of pure substances. Such a procedure is known to the person skilled in the art. The step of analyzing and evaluating the metabolic signature is preferably carried out using statistical methods. The spectroscopy data can be analyzed by purely visual comparison in order to extract the disease-relevant information, or by applying suitable statistical methods that are known to the person skilled in the art and are selected. All unsupervised and supervised statistical methods are suitable for this. Supervised statistical methods include, for example, principal component analysis. Supervised statistical models include, for example, linear discriminant analysis, support vector machine, partial least squares regression, random forest, neural network analysis and machine learning. Furthermore, methods for sample classification and visualization of the component distribution (alone or in combination with supervised and unsupervised statistical methods) can be used. Suitable methods for sample classification and visualization are, for example: abundance analyses and cluster analysis methods. These include, for example: vector component analysis, NFINDR and k-means clustering.
Besonders bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hauptkomponentenanalyse zur Analyse und Auswertung der metabolischen Signatur verwendet. Die Auswertung von Daten mittels Hauptkomponentenanalyse ist dem Fachmann bekannt, siehe z.B. https://de.wikipedia.org/wiki/Hauptkomponentenanalyse.Particularly preferably, principal component analysis is used in the method according to the invention to analyze and evaluate the metabolic signature. The evaluation of data using principal component analysis is known to the person skilled in the art, see e.g. https://de.wikipedia.org/wiki/Hauptkomponentenanalyse.
Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die Hauptkomponentenanalyse der gemessenen Lipidprofile der Erythrozyten nachfolgend in einer der Clusteranalyse verwendet werden. Die Durchführung von Clusteranalysen ist dem Fachmann ebenfalls bekannt, siehe z.B. https://de.wikipedia.org/wiki/Clusteranalyse.It is also preferred if the principal component analysis of the measured lipid profiles of the erythrocytes is subsequently used in a cluster analysis. The implementation of cluster analyses is also known to the person skilled in the art, see e.g. https://de.wikipedia.org/wiki/Clusteranalyse.
Eine Erkrankung der Leber, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diagnostiziert werden kann ist, ist beispielsweise eine Erkrankung ausgewählt aus
- - toxischen, akuten Leberschäden;
- - obstruktiv, cholestatischen Leberschäden;
- - ischämischen Leberschäden;
- - fibrotisch, chronischen Leberschäden; und
- - septischen Leberschäden.
- - toxic, acute liver damage;
- - obstructive, cholestatic liver damage;
- - ischemic liver damage;
- - fibrotic, chronic liver damage; and
- - septic liver damage.
Typische Schlüsselmetabolite / Lipide für toxische, akute Leberschäden sind Gamma-Glutaryltransferase, Alanin-Aminotransferase und Aspartat-Aminotransferase, Glutamatdehydrogenase.Typical key metabolites/lipids for toxic, acute liver damage are gamma-glutaryltransferase, alanine aminotransferase and aspartate aminotransferase, glutamate dehydrogenase.
Typische Schlüsselmetabolite / Lipide für obstruktiv, cholestatische Leberschäden sind Gamma-Glutaryltransferase, Alkalische Phosphatase, Direktes und indirektes Bilirubin, Taurin- oder Glyzin-konjugierte und unkonjugierte Gallensäuren (wie z.B. Litocholsäure, Cholsäure, Chenodeoxycholsäure, Ursodeoxycholsäure, Obeticholsäure, Dehydrocholsäure).Typical key metabolites/lipids for obstructive, cholestatic liver damage are gamma-glutaryltransferase, alkaline phosphatase, direct and indirect bilirubin, taurine- or glycine-conjugated and unconjugated bile acids (such as litocholic acid, cholic acid, chenodeoxycholic acid, ursodeoxycholic acid, obeticholic acid, dehydrocholic acid).
Typische Schlüsselmetabolite / Lipide für ischämische Leberschäden Alanin-Aminotransferase und Aspartat-Aminotransferase.Typical key metabolites/lipids for ischemic liver damage are alanine aminotransferase and aspartate aminotransferase.
Typische Schlüsselmetabolite / Lipide für fibrotisch, chronische Leberschäden sind Syntheseparameter (wie z.B. Albumin, Gerinnungsfaktoren, Haptoglobin), Alanin-Aminotransferase, Aspartat-Aminotransferase und Cholinesterase.Typical key metabolites/lipids for fibrotic, chronic liver damage are synthesis parameters (such as albumin, coagulation factors, haptoglobin), alanine aminotransferase, aspartate aminotransferase and cholinesterase.
Typische Schlüsselmetabolite / Lipide für septische Leberschäden sind Alanin-Aminotransferase, Aspartat-Aminotransferase und Glutamatdehydrogenase.Typical key metabolites/lipids for septic liver damage are alanine aminotransferase, aspartate aminotransferase and glutamate dehydrogenase.
Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile. So wird es ermöglicht, Metaboliten in Erythrozyten mit Hilfe statistischer Methoden, wie z.B. Abundanz-Mapping und Cluster-Analysen, zu identifizieren. Die Erythrozyten können so als „Metabolische Markerzelle“ für die Identifikation von pathophysiologischen metabolischen Veränderungen verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nunmehr die gezielte Metabolomik (targeted metabolomics) in Erythrozyten basierend auf der Massenspektrometrie. Weiterhin erlaubt das Verfahren die Analyse des Lipidprofils in Erythrozyten, wodurch Aussagen über die Schwere eines Krankheitsverlaufs bzw. über das Stadium einer Erkrankung, insbesondere der Leber, getroffen werden können.The invention has numerous advantages. It makes it possible to identify metabolites in erythrocytes using statistical methods such as abundance mapping and cluster analyses. The erythrocytes can thus be used as a "metabolic marker cell" for identifying pathophysiological metabolic changes. The method according to the invention now allows targeted metabolomics in erythrocytes based on mass spectrometry. The method also allows the analysis of the lipid profile in erythrocytes, which allows statements to be made about the severity of a disease progression or the stage of a disease, particularly of the liver.
Als Bestandteil der Funktionsdiagnostik im klinischen Alltag können sogenannte metabolische Fingerabdrücke erstellt und zur Identifikation von Lebererkrankungen eingesetzt werden. Aufgrund der viel größeren Informationsmenge, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet wird, ist eine präzisere Diagnostik als in der Labordiagnostik möglich.As part of functional diagnostics in everyday clinical practice, so-called metabolic fingerprints can be created and used to identify liver diseases. Due to the much larger amount of information processed in the method according to the invention, more precise diagnostics are possible than in laboratory diagnostics.
Die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens können vorteilhafterweise in der individualisierten Medizin eingesetzt werden. Eine frühe Diagnosestellung wird ermöglicht. Darüber hinaus können die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prävention von progredientem Organversagen genutzt werden. Therapien können individuell adaptiert werden und zielgerichteter eingesetzt werden.The results of the method according to the invention can be used advantageously in individualized medicine. Early diagnosis is made possible. In addition, the results of the method according to the invention can be used to prevent progressive organ failure. Therapies can be individually adapted and used in a more targeted manner.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 4 Zeichnungen und 5 Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to 4 drawings and 5 embodiments.
Es zeigen:
-
1 die Isolierung der Erythrozyten und Zusammensetzung der Membran (erstellt mit BioRender.com); -
2 die Grundstruktur verschiedener Phospho- und Sphingolipide, wobei R, R1 und R2 Fettsäurereste unterschiedlicher Kettenlänge sein können (geändert nachCui, L., & Decker, E. A. (2016). Phospholipids in foods: prooxidants or antioxidants? Journal of the science of food and agriculture, 96(1), 18-31 -
3 die Hauptkomponentenanalyse zur Auswertung der massenspektrometrisch gewonnenen Lipiddaten aus einem vorausgegangenen Tierversuch. Es bedeuten:- CONTROL
- Gesunde Kontrollgruppe
- APAP
- Modell des toxischen, akuten Leberschadens
- BDL
- Modell zum obstruktiv, cholestatischen Leberschaden
- IR
- Modell zum ischämischen Leberschaden
- TAA
- Modell zum fibrotisch, chronischen Leberschaden
- PCI
- Modell zum septischen Leberschaden
-
4 den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens- 110
- Probengewinnung, umfassend Bereitstellung von EDTA-Vollblut, Isolation der Erythrozyten, Aufreinigung der Erythrozyten;
- 120
- Massenspektrometriemessungen, umfassend Probenaufreinigung nach standardisierter SOP, Durchführung der Messungen mit definierten Standards;
- 130
- Datenauswertung, umfassend Datenvalidierung, Interpretation, Vergleich mit Referenzen, Kategorisierung; und
- 140
- Individualisierte Medizin, umfassend Frühe Diagnosestellung Prävention von progredientem Organversagen Adaptierte und zielgerichtete Therapie
-
1 the isolation of erythrocytes and composition of the membrane (created with BioRender.com); -
2 the basic structure of various phospho- and sphingolipids, where R, R 1 and R 2 can be fatty acid residues of different chain lengths (modified afterCui, L., & Decker, E. A. (2016). Phospholipids in foods: prooxidants or antioxidants? Journal of the science of food and agriculture, 96(1), 18-31 -
3 the principal component analysis for evaluating the lipid data obtained by mass spectrometry from a previous animal experiment. This means:- CONTROL
- Healthy control group
- APAP
- Model of toxic, acute liver damage
- BDL
- Model of obstructive, cholestatic liver damage
- IR
- Model of ischemic liver damage
- TAA
- Model of fibrotic, chronic liver damage
- PCI
- Model of septic liver damage
-
4 the schematic flow of the method according to the invention- 110
- Sample collection, including provision of EDTA whole blood, isolation of erythrocytes, purification of erythrocytes;
- 120
- Mass spectrometry measurements, including sample purification according to standardized SOP, carrying out the measurements with defined standards;
- 130
- Data evaluation, including data validation, interpretation, comparison with references, categorization; and
- 140
- Individualized medicine, comprehensive Early diagnosis Prevention of progressive organ failure Adapted and targeted therapy
Ausführungsbeispiel 1: Isolierung von Erythrozyten aus einer VollblutprobeExample 1: Isolation of erythrocytes from a whole blood sample
Vollblutproben wurden in 1,2 ml Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA)-Monovetten (Sarstedt, Deutschland) überführt, um eine Blutgerinnung für die weiteren Verarbeitungsschritte zu verhindern. Nach anfänglicher Zentrifugation der Monovetten bei 1.000 g für 10 Minuten bei 20°C wurde die Plasmafraktion in frische Polypropylenröhrchen überführt und bei -80°C für weitere Analysen gelagert. Die verbleibenden Erythrozyten wurden zweimal gewaschen, indem die Menge des extrahierten Plasmas durch PBS (Biozym, Deutschland) ersetzt wurde. Nach Zugabe von etwa 200 µl PBS wurden die Proben erneut bei 1.000 g für 10 Minuten bei 20 °C zentrifugiert. Dieser Schritt des Austausches des Überstandes wurde zweimal durchgeführt. Nach der endgültigen Entfernung des Überstandes wurden die Erythrozyten in Polypropylenröhrchen (Eppendorf, Deutschland) aliquotiert, gewogen und bei -80 °C gelagert.Whole blood samples were transferred into 1.2 ml ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) Monovettes (Sarstedt, Germany) to prevent blood clotting for further processing steps. After initial centrifugation of the Monovettes at 1,000 g for 10 minutes at 20°C, the plasma fraction was transferred to fresh polypropylene tubes and stored at -80°C for further analyses. The remaining red blood cells were washed twice by replacing the amount of extracted plasma with PBS (Biozym, Germany). After addition of approximately 200 µl PBS, the samples were centrifuged again at 1,000 g for 10 minutes at 20°C. This supernatant exchange step was performed twice. After final removal of the supernatant, red blood cells were aliquoted into polypropylene tubes (Eppendorf, Germany), weighed, and stored at -80°C.
Ausführungsbeispiel 2: Probenvorbereitung für die MassenspektrometrieExample 2: Sample preparation for mass spectrometry
Die Probenvorbereitung für die Massenspektrometrie wurde gemäß einer Standardarbeitsanweisung durchgeführt.Sample preparation for mass spectrometry was performed according to a standard operating procedure.
Verwendete Materialienused material
- - Methanol (>99,9%)- Methanol (>99.9%)
- - Interne Standardmischung (siehe Tabelle 1)- Internal standard mixture (see Table 1)
- - Glasfläschchen- Glass bottles
Verwendete GeräteDevices used
- - Rotator IKA-Loopster- Rotator IKA Loopster
- - Tissuelyzer Qiagen- Tissuelyzer Qiagen
- - Zentrifuge- Centrifuge
- - SpeedVac- SpeedVac
- - Horizontalschüttler- Horizontal shaker
- - Vortex-Mischer- Vortex mixer
VersuchsablaufTest procedure
Für die Messungen wurde ein gewichtetes Aliquot von etwa 80 µl Erythrozyten verwendet. Die Vorbereitung für die Lipidquantifizierung begann mit der Zugabe von 790 µl Methanol (>99,9 %, Honeywell Riedel-de-Haen, Deutschland) und 10 µl interner Standardmischung (jeweils 30 pmol pro Injektionsvolumen, Einzelheiten siehe Tabelle 1 in Ausführungsbeispiel 4) als Referenz für die Normalisierung und Quantifizierung) in die Röhrchen mit den Erythrozytenproben. Nach der Fällung über Nacht bei -80°C wurden die Proben bei 10.000 g für 1 Stunde zentrifugiert.A weighted aliquot of approximately 80 µl of erythrocytes was used for the measurements. Preparation for lipid quantification began with the addition of 790 µl of methanol (>99.9%, Honeywell Riedel-de-Haen, Germany) and 10 µl of internal standard mixture (each 30 pmol per injection volume, for details see Table 1 in Example 4) as a reference for normalization and quantification) to the tubes containing the erythrocyte samples. After precipitation overnight at -80°C, the samples were centrifuged at 10,000 g for 1 hour.
Der Überstand wurde in ein neues Polypropylenröhrchen überführt und im SPD SpeedVac (Thermo Scientific Savant) bei 50°C für 90 min eingedampft. Danach wurde die Rekonstitution in 100 µL Methanol (> 99,9%) auf einem Plattenschüttler bei maximaler Geschwindigkeit für 1 min durchgeführt. Schließlich wurden die Proben in Glasfläschchen (Dr. R. Forche Chromatographie, Deutschland) und versiegelt.The supernatant was transferred to a new polypropylene tube and evaporated in the SPD SpeedVac (Thermo Scientific Savant) at 50°C for 90 min. Afterwards, reconstitution was carried out in 100 µL methanol (> 99.9%) on a plate shaker at maximum speed for 1 min. Finally, the samples were transferred to glass vials (Dr. R. Forche Chromatographie, Germany) and sealed.
Je nach Verfügbarkeit des Massenspektrometers wurde die Probe anschließend sofort vermessen oder bei -80°C zwischengelagert.Depending on the availability of the mass spectrometer, the sample was then measured immediately or temporarily stored at -80°C.
Ausführungsbeispiel 3: Metabolische AnalyseExample 3: Metabolic analysis
Metabolomanalysen wurden mit Hilfe der Massenspektrometrie durchgeführt, um die Lipidzusammensetzung der Erythrozyten zu messen und die Veränderungen der verschiedenen Lipidfraktionen aufzuzeigen, um eine Krankheit auf molekularer Basis weiter zu charakterisieren.Metabolomic analyses were performed using mass spectrometry to measure the lipid composition of red blood cells and to demonstrate the changes in the different lipid fractions to further characterize disease at a molecular level.
Die Bewertung der Leberausscheidungsfunktion erfolgte hauptsächlich durch Gallensäuremessungen in Milz- und Leberproben.Hepatic excretory function was assessed mainly by bile acid measurements in spleen and liver samples.
Daher war die Massenspektrometrie die effizienteste Methode, um die gesamten Veränderungen in verschiedenen organischen Kompartimenten zu identifizieren.Therefore, mass spectrometry was the most efficient method to identify the overall changes in different organic compartments.
Ausführungsbeispiel 4: LipidquantifizierungExample 4: Lipid quantification
Das Lipidprofil wurde an Erythrozyten gemessen. Die Probenvorbereitung für die Lipidquantifizierung erfolgte wie Ausführungsbeispiel 2 beschrieben. Zur internen Standardmischung (jeweils 30 pmol pro Injektionsvolumen) als Referenz für die Normalisierung und Quantifizierung siehe Tabelle 1 unten.The lipid profile was measured on erythrocytes. Sample preparation for lipid quantification was carried out as described in Example 2. For the internal standard mixture (30 pmol per injection volume) as a reference for normalization and quantification, see Table 1 below.
Für die Messungen wurden ein Autosampler L-7250, ein Peltier-Probenkühler der Fa. Merck für L-7250, ein L-2130 Flüssigchromatograph mit dem Säulenofen L-2300 mit einer 60x2 mm MultoHigh 100 RP 18-Säule mit 3 µm Partikelgröße (CS-Chromatographie Service, Deutschland) mit einem Elite LaChrom LC-System (Hitachi Europe GmbH, Deutschland) kombiniert und bei 50 °C gehalten. Die mobile Phase A bestand aus 1,0 % (v/v) Ameisensäure in ddH2O, die mobile Phase B aus 100% Methanol (Chromasolv, Honeywell Riedel-de Haën, Seelze, Deutschland). Mit einer Flussrate von 0,5 ml min-1 wurde die Säule in 10% B Die mobile Phase wechselte nach der Probeninjektion zu 100% B. Die Durchflussrate stieg von 0,5 ml min-1 bei 5 min linear auf 1,0 ml min-1 bei 7 min an und blieb bis 10 min konstant. Danach wurde die mobile Phase auf 10 % B umgestellt, und die Flussrate nahm wieder linear von 1,0 ml min-1 bei 10 min auf 0,5 ml min-1 bei 10,5 min ab und blieb bis zum Ende des Programms bei 11,3 min konstant. Die Detektion wurde zwischen 2 und 10 min durchgeführt.For the measurements, an autosampler L-7250, a Peltier sample cooler from Merck for L-7250, an L-2130 liquid chromatograph with the column oven L-2300 with a 60x2 mm MultoHigh 100 RP 18 column with 3 µm particle size (CS Chromatographie Service, Germany) were combined with an Elite LaChrom LC system (Hitachi Europe GmbH, Germany) and kept at 50 °C. The mobile phase A consisted of 1.0% (v/v) formic acid in ddH2O, the mobile phase B of 100% methanol (Chromasolv, Honeywell Riedel-de Haën, Seelze, Germany). The column was run at a flow rate of 0.5 ml min -1 in 10% B. The mobile phase changed to 100% B after sample injection. The flow rate increased linearly from 0.5 ml min -1 at 5 min to 1.0 ml min -1 at 7 min and remained constant until 10 min. Thereafter, the mobile phase was switched to 10% B and the flow rate decreased linearly again from 1.0 ml min -1 at 10 min to 0.5 ml min -1 at 10.5 min and remained constant until the end of the program at 11.3 min. Detection was performed between 2 and 10 min.
Alle Proben wurden auf 4 °C gekühlt, und es wurden 10,0 µl pro Probe injiziert. Das mit einer ESI- oder APCI-Quelle ausgestattete Hochdruck-Flüssigchromatographiesystem wurde mit dem Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometer API 2000 (Sciex, Foster City, CA, USA) kombiniert, wobei beide im positiven Modus unter bestimmten Quellenparametern arbeiteten: Quellentemperatur 450 °C, Vorhanggas 40, Kollisionsgas „low“, Ionensprühspannung 5500, Ionenquellengas1 60, Ionenquellengas2 30. Die Zielionen Q1> Q3, die Zuordnung zum internen Standard und die Art der Analyse sind angegeben in Tabelle 1 unten. Alle Ergebnisse wurden mit Hilfe von Analyst 1.6.2 (AB Sciex, Forster City, CA, USA) auf der Grundlage von internen Standardproben und der externen Standardkurve quantifiziert. Tabelle 1: Liste der Zielionen/MRM-Übergänge, Zuordnung zum internen Standard und Analysemodus
Ausführungsbeispiel 5: Hauptkomponentenanalyse und Clusteranalyse der Ergebnisse der Lipidmessungen mittels MassenspektrometrieExample 5: Principal component analysis and cluster analysis of the results of lipid measurements using mass spectrometry
Die Hauptkomponentenanalyse in
Das Ergebnis der Hauptkomponentenanalyse zur Auswertung von massenspektrometrisch gewonnenen Lipiddaten aus einem vorausgegangenen Tierversuch zeigt
In dieser Analyse zeigen sich bereits erste eindeutige Clusterstrukturen und Gruppierungen. Es erscheint also plausibel, anhand gewonnener Erythrozyten und anschließender massenspektrometrischen Messung, verschiedene Entitäten der Leberdysfunktion zu detektieren. Die entsprechend durchgeführten Tierexperimente beruhen auf verschiedenen Tiermodellen unterschiedlicher Formen der Leberdysfunktion. Die entsprechenden Entitäten sind der Liste oben zu entnehmen.This analysis already shows the first clear cluster structures and groupings. It therefore seems plausible to detect various entities of liver dysfunction using obtained erythrocytes and subsequent mass spectrometric measurement. The animal experiments carried out accordingly are based on various animal models of different forms of liver dysfunction. The corresponding entities can be found in the list above.
Referenzencredentials
-
Kiehntopf
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