DE102023110285B3 - NMR MEASUREMENT OF GLYCOPROTEINS - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Beiträge einzelner Glykoproteine und/oder Glykoylierungsmuster als Biomarker, abgeleitet aus einer Analyse von NMR-Spektren von Blutserum und/oder Blutplasma, umfassend die Schritte:i. Selektion von Glykoporoteinen aus einer Probe von Blutserum anhand ihrer spezifischen Diffusions- und/oder Relaxationseigenschaften und/oder Frequenzen und/oder J-Kopplungenii. Bestimmung der Glykan, GlycA- und GlycB-Signalgruppen in einem NMR-Spektrum wobei die GlyA-Signalgruppe von Methylgruppen von Neu5Ac gebildet ist und wobei die GlycB-Signalgruppe von Methylgruppen von GlcNAc-Einheiten gebildet ist und wobei die Glykan-Signalgruppe zwischen 3,5 und 5,5 ppm und die Neu5Ac-H3eq-Signalgruppe zwischen 2,6 und 2,9 ppm und die Neu5Ac-H3ax-Signalgruppe zwischen 1,6 und 1,88 ppm und die GycA-Signalgruppe zwischen 2,0 und 2,07 ppm und die GlycB-Signalgruppe zwischen 2,07 und 2,2 ppm liegt und wobei eine Zuordnung der Signale anhand des aus Abbildung 1 zu entnehmenden Schemas erfolgtiii. Anpassung von charakteristischen Frequenzmatrizen für einzelne oder zuvor zu Klassen zusammengestellte Glykoproteine an die bestimmten Signalgruppen mittels mathematischer Methodeniv. Ermittlung der Beiträge einzelner Glykoprotein-Biomarker durch Dekonvolution des Spektrums unter Verwendung der in Schritt iii angepassten Frequenzmatrizen und Addition einer zuvor zugeordneten Anzahl von mathematischen Funktionen.Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt und eine Verwendung.The invention relates to a method for measuring the contributions of individual glycoproteins and/or glycoylation patterns as biomarkers derived from an analysis of NMR spectra of blood serum and/or blood plasma, comprising the steps:i. Selection of glycoproteins from a sample of blood serum based on their specific diffusion and/or relaxation properties and/or frequencies and/or J-couplingsii. Determination of the glycan, GlycA and GlycB signal groups in an NMR spectrum, where the GlyA signal group is formed by methyl groups of Neu5Ac and where the GlycB signal group is formed by methyl groups of GlcNAc units and where the glycan signal group is between 3.5 and 5.5 ppm and the Neu5Ac-H3eq signal group is between 2.6 and 2.9 ppm and the Neu5Ac-H3ax signal group is between 1.6 and 1.88 ppm and the GycA signal group is between 2.0 and 2.07 ppm and the GlycB signal group is between 2.07 and 2.2 ppm and where the signals are assigned using the scheme shown in Figure 1iii. Adaptation of characteristic frequency matrices for individual glycoproteins or glycoproteins previously grouped into classes to the determined signal groups using mathematical methodsiv. Determining the contributions of individual glycoprotein biomarkers by deconvolution of the spectrum using the frequency matrices adjusted in step iii and adding a previously assigned number of mathematical functions.The invention further relates to a computer program product and a use.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die NMR-Analyse von Proteinsignalen in Blutserum- oder Plasmaproben.The present invention relates to the NMR analysis of protein signals in blood serum or plasma samples.

Die Kernmagnetische Resonanz Spektroskopie wird zunehmend zur Bestimmung von Biomarkern eingesetzt, insbesondere von Lipoprotein-Biomarkern, die mit Cholesterin in Verbindung stehen. Siehe US 4 933 844 A , US 6 617 167 B2 und US 9 470 771 B2 sowie die EU-Patente EP 2 859 339 B1 und EP 3 588 120 B1 , deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme als vollständig zitiert aufgenommen wird. Im Allgemeinen wird zur Bewertung der Lipoproteine im Blutplasma und/oder Serum die Intensität verschiedener Methyl- und Methylensignale in NMR-Spektren von Blut und/oder Serum dekonvolutiert, um Unterklassen von Lipoproteinen zu ermitteln.Nuclear magnetic resonance spectroscopy is increasingly used to determine biomarkers, especially lipoprotein biomarkers related to cholesterol. See US 4 933 844 A , US 6 617 167 B2 and US 9 470 771 B2 and EU patents EP 2 859 339 B1 and EP 3 588 120 B1 , the contents of which are hereby incorporated by reference as cited in their entirety. In general, to evaluate lipoproteins in blood plasma and/or serum, the intensity of various methyl and methylene signals in NMR spectra of blood and/or serum are deconvoluted to determine subclasses of lipoproteins.

Gruppen EG, Riphagen IJ, Connelly MA, Otvos JD, Bakker SJL, Dullaart RPF (2015) GlycA, a Pro-Inflammatory Glycoprotein Biomarker, and Incident Cardiovascular Disease: Relationship with C-Reactive Protein and renal Function. PLoS ONE 10 (9) schlagen GlycA als neuen NMRspektroskopischen Biomarker zur Erkennung von Entzündungen und kardiovaskulären Erkrankungen vor.Gruppen EG, Riphagen IJ, Connelly MA, Otvos JD, Bakker SJL, Dullaart RPF (2015) GlycA, a Pro-Inflammatory Glycoprotein Biomarker, and Incident Cardiovascular Disease: Relationship with C-Reactive Protein and renal Function. PLoS ONE 10 (9) propose GlycA as a new NMR spectroscopic biomarker for the detection of inflammation and cardiovascular disease.

NMR-Methoden, die zur Ableitung medizinischer Marker für die medizinische Risikobewertung Signale von Glykoproteinen (GlycA und GlycB) nutzen, sind aus der EP 2 859 339 B1 bekannt.NMR methods that use signals from glycoproteins (GlycA and GlycB) to derive medical markers for medical risk assessment are known from the EP 2 859 339 B1 known.

Die Signale von GlycA und GlyB stammen von einer Reihe von Proteinen, die oft als Akut-Phase-Proteine bezeichnet werden und sich dadurch auszeichnen, dass sie stark auf Entzündungen reagieren, die zu einem erheblichen Anstieg oder Abfall im Blut führen. Zu den Akute-Phase-Proteinen gehören unter anderem CRP, Serum-Amyloid A, Haptoglobin, Fibrinogen, α-1-saures Glykoprotein, Haptoglobin, Serotransferrin, α-1-Antitrypsin und α-1-Antichymotrypsin. Es ist bekannt, dass sich die Konzentration von Akute-Phase-Proteinen nicht nur als Reaktion auf Entzündungsereignisse, sondern auch hinsichtlich ihres Glykosylierungsmusters krankheitsspezifisch verändert. Die GlycA und GlycB Signale in NMR Spektren beruhen auf Methylgruppen spezifischer Glykanreste, die Teil dieser Akut-Phase-Proteine sind und welche hervorragende Biomarker darstellen.The GlycA and GlyB signals originate from a group of proteins, often referred to as acute phase proteins, which are characterized by their strong response to inflammation, leading to a significant increase or decrease in blood levels. Acute phase proteins include CRP, serum amyloid A, haptoglobin, fibrinogen, α-1-acid glycoprotein, haptoglobin, serotransferrin, α-1-antitrypsin, and α-1-antichymotrypsin, among others. It is known that the concentration of acute phase proteins changes in a disease-specific manner not only in response to inflammatory events, but also in terms of their glycosylation pattern. The GlycA and GlycB signals in NMR spectra are based on methyl groups of specific glycan residues that are part of these acute phase proteins and which represent excellent biomarkers.

Die GlycA und GlycB NMR-Signale wurden Berichten zufolge mit klinisch-pathologischen Zuständen in Verbindung gebracht, wie z. B. einem erhöhten Sterberisiko [ Ritchie SC, Kettunen J, Brozynska M, et al. Elevated serum alpha-1 antitrypsin is a major component of GlycAassociated risk for future morbidity and mortality. Feng Y-M, ed. PLoS ONE und Kettunen J, Ritchie SC, Anufrieva O, et al. Biomarker Glycoprotein Acetyls Is Associated With the Risk of a Wide Spectrum of Incident Diseases and Stratifies Mortality Risk in Angiography Patients. Circ: Genomic and Precision Medicine. 2018;11:e002234 und Gruppen EG, Connelly MA, Sluiter WJ, Bakker SJL, Dullaart RPF. Higher plasma GlycA, a novel pro-inflammatory glycoprotein biomarker, is associated with reduced life expectancy: The PREVEND study. Clinica Chimica Acta. 2019;488:7-12 .] Adipositas[ Levine JA, Han JM, Wolska A, et al. Associations of GlycA and high-sensitivity C-reactive protein with measures of lipolysis in adults with obesity. Journal of Clinical Lipidology. 2020;14:667-674 , Jago R, Drews KL, Otvos JD, Willi SM, Buse JB, for the HEALTHY Study Group. Novel measures of inflammation and insulin resistance are related to obesity and fitness in a diverse sample of 11-14 year olds: The HEALTHY Study. Int J Obes. 2016;40:1157-1163 , Manmadhan A, Lin B-X, Zhong J, et al. Elevated GlycA in severe obesity is normalized by bariatric surgery. Diabetes Obes Metab. 2019;21:178-182 ] Diabetes, [ Connelly MA, Otvos JD, Zhang Q, et al. Effects of hepato-preferential basal insulin peglispro on nuclear magnetic resonance biomarkers lipoprotein insulin resistance index and GlycA in patients with diabetes. Biomarkers in Medicine. 2017;11:991-1001 , Dullaart RPF, Gruppen EG, Connelly MA, Otvos JD, Lefrandt JD. GlycA, a biomarker of inflammatory glycoproteins, is more closely related to the leptin/adiponectin ratio than to glucose tolerance status, Akinkuolie AO, Pradhan AD, Buring JE, Ridker PM, Mora S. Novel Protein Glycan Side-Chain Biomarker and Risk of Incident Type 2 Diabetes Mellitus. ATVB. 2015;35:1544-1550 ] diabetesbedingten metabolischen Syndromen [ Gruppen EG, Riphagen IJ, Connelly MA, Otvos JD, Bakker SJL, Dullaart RPF. GlycA, a Pro-Inflammatory Glycoprotein Biomarker, and Incident Cardiovascular Disease: Relationship with C-Reactive Protein and Renal Function. Shimosawa T, ed. PLoS ONE. 2015;10:e0139057 ., Herzversagen [ Jang S, Ogunmoroti O, Ndumele CE, et al. Association of the Novel Inflammatory Marker GlycA and Incident Heart Failure and Its Subtypes of Preserved and Reduced Ejection Fraction: The Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis. Circ: Heart Failure. 2020;13:e007067 ], 15 rheumatoider Arthritis [ Rodriguez-Carrio J, Alperi-Löpez M, Löpez P, et al. GlycA Levels during the Earliest Stages of Rheumatoid Arthritis: Potential Use as a Biomarker of Subclinical Cardiovascular Disease. JCM. 2020;9:2472 , Ormseth MJ, Chung CP, Oeser AM, et al. Utility of a novel inflammatory marker, GlycA, for assessment of rheumatoid arthritis disease activity and coronary atherosclerosis. Arthritis Res Ther. 2015;17:117 ] chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) [ Prokic I, Lahousse L, de Vries M, et al. A cross-omics integrative study of metabolic signatures of chronic obstructive pulmonary disease. BMC Pulm Med. 2020;20:193 ]18 systemischem Lupus erythematodes [ Dierckx T, Chiche L, Daniel L, Lauwerys B, Van Weyenbergh J, Jourde-Chiche N. Serum GlycA Level Is Elevated in Active Systemic Lupus Erythematosus and Correlates to Disease Activity and Lupus Nephritis Severity. JCM. 2020;9:970 , Chung CP, Ormseth MJ, Connelly MA, et al. GlycA, a novel marker of inflammation, is elevated in systemic lupus erythematosus. Lupus. 2016;25:296-300 ] Psoriasis[ Joshi AA, Lerman JB, Aberra TM, et al. GlycA Is a Novel Biomarker of Inflammation and Subclinical Cardiovascular Disease in Psoriasis. Circ Res. 2016;119:1242-1253 ], zystischer Fibrose [ Kevat AC, Carzino R, Vidmar S, Ranganathan S. Glycoprotein A as a biomarker of pulmonary infection and inflammation in children with cystic fibrosis. Pediatr Pulmonol. 2020;55:401-406 ],2 polyzystischem Ovarialsyndrom [ Fuertes-Martin R, Moncayo S, Insenser M, et al. Glycoprotein A and B Height-to-Width Ratios as Obesity-Independent Novel Biomarkers of Low-Grade Chronic Inflammation in Women with Polycystic Ovary Syndrome (PCOS). J Proteome Res. 2019;18:4038-4045 ], Cushing-Syndrom [ Makri A, Cheung A, Sinaii N, et al. Lipoprotein particles in patients with pediatric Cushing disease and possible cardiovascular risks. Pediatr Res. 2019;86:375-381 ]24 Atemwegsinfektionen [ Ritchie SC, Würtz P, Nath AP, et al. The Biomarker GlycA Is Associated with Chronic Inflammation and Predicts Long-Term Risk of Severe Infection. Cell Systems. 2015;1:293-301 ],2 COVID-19, [ Lodge S, Nitschke P, Kimhofer T, et al. Diffusion and Relaxation Edited Proton NMR Spectroscopy of Plasma Reveals a High-Fidelity Supramolecular Biomarker Signature of SARS-CoV-2 Infection. Anal Chem. 2021;93:3976-3986 , Nitschke P, Lodge S, Kimhofer T, et al. J-Edited Dlffusional (JEDI) Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopic Measurement of Glycoprotein and Supramolecular Phospholipid Biomarkers of Inflammation in Human Serum. :24] HIV [ Tibuakuu M, Fashanu OE, Zhao D, et al. GlycA, a novel inflammatory marker, is associated with subclinical coronary disease. AIDS. 2019;33:547-557 , Malo A-I, Rull A, Girona J, et al. Glycoprotein Profile Assessed by 1 H-NMR as a Global Inflammation Marker in Patients with HIV Infection. A Prospective Study. JCM. 2020;9:1344 . primärem Aldosterismus [ Berends AMA, Buitenwerf E, Gruppen EG, et al. Primary aldosteronism is associated with decreased lowdensity and high-density lipoprotein particle concentrations and increased GlycA, a pro-inflammatory glycoprotein biomarker. Clin Endocrinol. 2019;90:79-87 ], entzündlichen Darmerkrankungen [ Dierckx T, Verstockt B, Vermeire S, van Weyenbergh J. GlycA, a Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Measure for Protein Glycosylation, is a Viable Biomarker for Disease Activity in IBD. Journal of Crohn's and Colitis. 2019;13:389-394,31 chronischer Nierenerkrankung [ Titan SM, Pecoits-Filho R, Barreto SM, Lopes AA, Bensenor IJ, Lotufo PA. GlycA, a marker of protein glycosylation, is related to albuminuria and estimated glomerular filtration rate: the ELSA-Brasil study. BMC Nephrol. 2017;18:367 ],32 Kawasaki-Krankheit [ Connelly MA, Shimizu C, Winegar DA, et al. Differences in GlycA and lipoprotein particle parameters may help distinguish acute kawasaki disease from other febrile illnesses in children. BMC Pediatr. 2016;16:151 ], Krebs [Gruppen EG, Connelly MA, Dullaart RPF. Higher circulating GlycA, a pro-inflammatory glycoprotein biomarker, relates to lipoprotein-associated phospholipase A2 mass in nondiabetic subjects but not in diabetic or metabolic syndrome subjects. Journal of Clinical Lipidology. 2016;10:512-518 , Gao H, Dong B, Liu X, Xuan H, Huang Y, Lin D. Metabonomic profiling of renal cell carcinoma: High-resolution proton nuclear magnetic resonance spectroscopy of human serum with multivariate data analysis. Analytica Chimica Acta. 2008;624:269-277 ] und Abnahme der kognitiven Funktion [ Cohen-Manheim I, Doniger GM, Sinnreich R, et al. Increase in the Inflammatory Marker GlycA over 13 Years in Young Adults Is Associated with Poorer Cognitive Function in Midlife. Wylie GR, ed. PLoS ONE. 2015;10:e0138036 ]. Dank dieser Berichte werden die GlycA und GlycB Signale als vielversprechende klinische Biomarker für klinische Erkrankungen angesehen. Für eine differenzierte medizinische Diagnostik wäre jedoch eine Bestimmung der einzelnen zu GlycA und GlycB beitragenden Proteine von großer Bedeutung. Eine detaillierte Unterscheidung der Proteine würde zusätzliche Parameter zur differenziellen Diagnostik von Krankheiten zur Verfügung stellen.The GlycA and GlycB NMR signals have been reported to be associated with clinical pathological conditions, such as an increased risk of death [ Ritchie SC, Kettunen J, Brozynska M, et al. Elevated serum alpha-1 antitrypsin is a major component of GlycA-associated risk for future morbidity and mortality. Feng YM, ed. PLoS ONE and Kettunen J, Ritchie SC, Anufrieva O, et al. Biomarker Glycoprotein Acetyls Is Associated With the Risk of a Wide Spectrum of Incident Diseases and Stratifies Mortality Risk in Angiography Patients. Circ: Genomics and Precision Medicine. 2018;11:e002234 and Groups EG, Connelly MA, Sluiter WJ, Bakker SJL, Dullaart RPF. Higher plasma GlycA, a novel pro-inflammatory glycoprotein biomarker, is associated with reduced life expectancy: The PREVEND study. Clinical Chemistry Acta. 2019;488:7-12 .] Obesity[ Levine JA, Han JM, Wolska A, et al. Associations of GlycA and high-sensitivity C-reactive protein with measures of lipolysis in adults with obesity. Journal of Clinical Lipidology. 2020;14:667-674 , Jago R, Drews KL, Otvos JD, Willi SM, Buse JB, for the HEALTHY Study Group. Novel measures of inflammation and insulin resistance are related to obesity and fitness in a diverse sample of 11-14 year olds: The HEALTHY Study. Int J Obes. 2016;40:1157-1163 , Manmadhan A, Lin BX, Zhong J, et al. Elevated GlycA in severe obesity is normalized by bariatric surgery. Diabetes Obes Metab. 2019;21:178-182 ] Diabetes, [ Connelly MA, Otvos JD, Zhang Q, et al. Effects of hepato-preferential basal insulin peglispro on nuclear magnetic resonance biomarkers lipoprotein insulin resistance index and GlycA in patients with diabetes. Biomarkers in Medicine. 2017;11:991-1001 , Dullaart RPF, Gruppen EG, Connelly MA, Otvos JD, Lefrandt JD. GlycA, a biomarker of inflammatory glycoproteins, is more closely related to the leptin/adiponectin ratio than to glucose tolerance status, Akinkuolie AO, Pradhan AD, Buring JE, Ridker PM, Mora S. Novel Protein Glycan Side-Chain Biomarker and Risk of Incident Type 2 Diabetes Mellitus. ATVB. 2015;35:1544-1550 ] diabetes-related metabolic syndromes [ Gruppen EG, Riphagen IJ, Connelly MA, Otvos JD, Bakker SJL, Dullaart RPF. GlycA, a pro-inflammatory glycoprotein biomarker, and incident cardiovascular disease: relationship with C-reactive protein and renal function. Shimosawa T, ed. PLoS ONE. 2015;10:e0139057 ., heart failure [ Jang S, Ogunmoroti O, Ndumele CE, et al. Association of the novel inflammatory marker GlycA and incident heart failure and its subtypes of preserved and reduced ejection fraction: the multi-ethnic study of atherosclerosis. Circ: Heart Failure. 2020;13:e007067 ], 15 rheumatoid arthritis [ Rodriguez-Carrio J, Alperi-Löpez M, Löpez P, et al. GlycA levels during the earliest stages of rheumatoid arthritis: potential use as a biomarker of subclinical cardiovascular disease. JCM. 2020;9:2472 , Ormseth MJ, Chung CP, Oeser AM, et al. Utility of a novel inflammatory marker, GlycA, for assessment of rheumatoid arthritis disease activity and coronary atherosclerosis. Arthritis Res Ther. 2015;17:117 ] chronic obstructive pulmonary disease (COPD) [ Prokic I, Lahousse L, de Vries M, et al. A cross-omics integrative study of metabolic signatures of chronic obstructive tive pulmonary disease. BMC Pulm Med. 2020;20:193 ]18 systemic lupus erythematosus [ Dierckx T, Chiche L, Daniel L, Lauwerys B, Van Weyenbergh J, Jourde-Chiche N. Serum GlycA Level Is Elevated in Active Systemic Lupus Erythematosus and Correlates to Disease Activity and Lupus Nephritis Severity. JCM. 2020;9:970 , Chung CP, Ormseth MJ, Connelly MA, et al. GlycA, a novel marker of inflammation, is elevated in systemic lupus erythematosus. Lupus. 2016;25:296-300 ] Psoriasis[ Joshi AA, Lerman JB, Aberra TM, et al. GlycA is a novel biomarker of inflammation and subclinical cardiovascular disease in psoriasis. Circ Res. 2016;119:1242-1253 ], cystic fibrosis [ Kevat AC, Carzino R, Vidmar S, Ranganathan S. Glycoprotein A as a biomarker of pulmonary infection and inflammation in children with cystic fibrosis. Pediatr Pulmonol. 2020;55:401-406 ],2 polycystic ovary syndrome [ Fuertes-Martin R, Moncayo S, Insenser M, et al. Glycoprotein A and B height-to-width ratios as obesity-independent novel biomarkers of low-grade chronic inflammation in women with polycystic ovary syndrome (PCOS). J Proteome Res. 2019;18:4038-4045 ], Cushing's syndrome [ Makri A, Cheung A, Sinaii N, et al. Lipoprotein particles in patients with pediatric Cushing disease and possible cardiovascular risks. Pediatr Res. 2019;86:375-381 ]24 Respiratory infections [ Ritchie SC, Würtz P, Nath AP, et al. The biomarker GlycA is associated with chronic inflammation and predicts long-term risk of severe infection. Cell Systems. 2015;1:293-301 ],2 COVID-19, [ Lodge S, Nitschke P, Kimhofer T, et al. Diffusion and Relaxation Edited Proton NMR Spectroscopy of Plasma Reveals a High-Fidelity Supramolecular Biomarker Signature of SARS-CoV-2 Infection. Anal Chem. 2021;93:3976-3986 , Nitschke P, Lodge S, Kimhofer T, et al. J-Edited Dlffusional (JEDI) Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopic Measurement of Glycoprotein and Supramolecular Phospholipid Biomarkers of Inflammation in Human Serum. :24] HIV [ Tibuakuu M, Fashanu OE, Zhao D, et al. GlycA, a novel inflammatory marker, is associated with subclinical coronary disease. AIDS. 2019;33:547-557 , Malo AI, Rull A, Girona J, et al. Glycoprotein profile assessed by 1 H-NMR as a global inflammation marker in patients with HIV infection. A prospective study. JCM. 2020;9:1344 . primary aldosterism [ Berends AMA, Buitenwerf E, Gruppen EG, et al. Primary aldosteronism is associated with decreased low-density and high-density lipoprotein particle concentrations and increased GlycA, a pro-inflammatory glycoprotein biomarker. Clin Endocrinol. 2019;90:79-87 ], inflammatory bowel diseases [ Dierckx T, Verstockt B, Vermeire S, van Weyenbergh J. GlycA, a nuclear magnetic resonance spectroscopy measure for protein glycosylation, is a viable biomarker for disease activity in IBD. Journal of Crohn’s and Colitis. 2019;13:389-394,31 chronic kidney disease [ Titan SM, Pecoits-Filho R, Barreto SM, Lopes AA, Bensenor IJ, Lotufo PA. GlycA, a marker of protein glycosylation, is related to albuminuria and estimated glomerular filtration rate: the ELSA-Brasil study. BMC Nephrol. 2017;18:367 ],32 Kawasaki disease [ Connelly MA, Shimizu C, Winegar DA, et al. Differences in GlycA and lipoprotein particle parameters may help distinguish acute kawasaki disease from other febrile illnesses in children. BMC Pediatr. 2016;16:151 ], cancer [groups EG, Connelly MA, Dullaart RPF. Higher circulating GlycA, a pro-inflammatory glycoprotein biomarker, relates to lipoprotein-associated phospholipase A2 mass in nondiabetic subjects but not in diabetic or metabolic syndrome subjects. Journal of Clinical Lipidology. 2016;10:512-518 , Gao H, Dong B, Liu X, Xuan H, Huang Y, Lin D. Metabonomic profiling of renal cell carcinoma: High-resolution proton nuclear magnetic resonance spectroscopy of human serum with multivariate data analysis. Analytical Chemistry Acta. 2008;624:269-277 ] and decline in cognitive function [ Cohen-Manheim I, Doniger GM, Sinnreich R, et al. Increase in the inflammatory marker GlycA over 13 years in young adults is associated with poorer cognitive function in midlife. Wylie GR, ed. PLoS ONE. 2015;10:e0138036 ]. Thanks to these reports, the GlycA and GlycB signals are considered to be promising clinical biomarkers for clinical diseases. However, for a differentiated medical diagnosis, a determination of the individual proteins contributing to GlycA and GlycB would be of great importance. A detailed differentiation of the proteins would provide additional parameters for the differential diagnosis of diseases.

Die von GlycA und GlycB abgeleiteten Ergebnisse sind allerdings bisweilen unspezifisch was die Natur der Proteine und der Art der Glykane betrifft. Es wäre eine detailliertere Analyse dieser und anderer Proteinsignale erforderlich, um den Beitrag spezifischer Akut-Phase-Proteine oder zumindest Gruppen von Proteinen zu ermitteln.However, the results derived from GlycA and GlycB are sometimes nonspecific with regard to the nature of the proteins and the type of glycans. A more detailed analysis of these and other protein signals would be required to determine the contribution of specific acute phase proteins or at least groups of proteins.

Eine weitere Patentanmeldung WO 2022 / 157 729 A1 und EP 3 588 120 B1 verwendet eine Kombination aus GlycA (2,0 ppm bis 2,09 ppm), GlycB (2,09 bis 2,2ppm) und einem supramolekularen Phospholipid-Cluster (SPC) (3,20 bis 3,30 ppm assoziiert mit +N-(CH3)3 aus Acetylcholin und seinen Derivativen) als Marker zur Identifizierung medizinischer Signaturen zur Abschätzung des medizinischen Risikos im Zusammenhang mit SARS-CoV-2-Infektionen, akuten Entzündungen oder kardiovaskulären Risikoerkrankungen. Die Bestimmung des Anteils einzelner Glykoproteine oder spezifischer Glykanstrukturen und die damit verbundene direkte Zuordnung zu bestimmten Krankheiten ist nicht beabsichtigt.Another patent application WO 2022 / 157 729 A1 and EP 3 588 120 B1 uses a combination of GlycA (2.0 ppm to 2.09 ppm), GlycB (2.09 to 2.2 ppm) and a supramolecular phospholipid cluster (SPC) (3.20 to 3.30 ppm associated with +N-(CH3)3 from acetylcholine and its derivatives) as markers to identify medical signatures to assess the medical risk associated with SARS-CoV-2 infections, acute inflammation or cardiovascular risk diseases. The determination of the proportion of individual glycoproteins or specific glycan structures and the associated direct assignment to specific diseases is not intended.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Messung der Beiträge einzelner Glykoproteine und/oder Glykoylierungsmuster als Biomarker, abgeleitet aus einer Analyse von NMR-Spektren von Blutserum und/oder Blutplasma zur Verfügung zu stellen.Therefore, it is an object of the invention to provide a method for measuring the contributions of individual glycoproteins and/or glycation patterns as biomarkers, derived from an analysis of NMR spectra of blood serum and/or blood plasma.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Messung der Beiträge einzelner Glykoproteine und/oder Glykoylierungsmuster als Biomarker, abgeleitet aus einer Analyse von NMR-Spektren von Blutserum, umfassend die Schritte:

  • Verfahren zur Messung der Beiträge einzelner Glykoproteine als Biomarker, abgeleitet aus einer Analyse von NMR-Spektren von Blutserum und/oder Blutplasma, umfassend die Schritte:
    1. i. Selektion von Glykoporoteinen in NMR Spektren aus einer Probe von Blutserum und/oder Blutplvasma anhand ihrer spezifischen Diffusions und/oder Relaxationseigenschaften und/oder ihrer spezifischen Frequenz und/oder Kopplungskonstanten im NMR Spektrum.
    2. ii. Bestimmung der Glykan, GlycA- und GlycB-Signalgruppen in einem NMR-Spektrum wobei die GlycA-Signalgruppe von Methylgruppen von Neu5Ac (5-AcetylNeuraminsäure) gebildet ist und wobei die GlycB-Signalgruppe von Methylgruppen von GlcNAc-Einheiten gebildet ist und wobei die Glykan-Signalgruppe zwischen 3,4 und 5,5 ppm und die Neu5Ac-H3eq-Signalgruppe zwischen 2,6 und 2,9 ppm und die Neu5Ac-H3ax-Signalgruppe zwischen 1,6 und 1,88 ppm und die GycA-Signalgruppe zwischen 2,0 und 2,07 ppm und die GlycB-Signalgruppe zwischen 2,07 und 2,2 ppm liegen und wobei eine Zuordnung der Signale anhand des aus zu entnehmenden Schemas erfolgt
    3. iii. Anpassung von charakteristischen Frequenzmatrizen für einzelne oder zuvor zu Klassen zusammengestellten Glykoproteinen an die bestimmten Signalgruppen mittels mathematischer Methoden
    4. iv. Ermittlung der Beiträge einzelner Glykoprotein-Biomarker durch Dekonvolution des Spektrums unter Verwendung der in Schritt iii angepassten Frequenzmatrizen und Addition einer zuvor zugeordneten Anzahl von mathematischen Funktionen.
The object of the invention is achieved by a method for measuring the contributions of individual glycoproteins and/or glycation patterns as biomarkers derived from an analysis of NMR spectra of blood serum, comprising the steps:
  • A method for measuring the contributions of individual glycoproteins as biomarkers derived from an analysis of NMR spectra of blood serum and/or blood plasma, comprising the steps:
    1. i. Selection of glycoporoteins in NMR spectra from a sample of blood serum and/or blood plasma based on their specific diffusion and/or relaxation properties and/or their specific frequency and/or coupling constants in the NMR spectrum.
    2. ii. Determination of the glycan, GlycA and GlycB signal groups in an NMR spectrum, wherein the GlycA signal group is formed by methyl groups of Neu5Ac (5-acetyl neuraminic acid) and wherein the GlycB signal group is formed by methyl groups of GlcNAc units and wherein the glycan signal group is between 3.4 and 5.5 ppm and the Neu5Ac-H3eq signal group is between 2.6 and 2.9 ppm and the Neu5Ac-H3ax signal group is between 1.6 and 1.88 ppm and the GycA signal group is between 2.0 and 2.07 ppm and the GlycB signal group is between 2.07 and 2.2 ppm and wherein an assignment of the signals is made based on the to be taken schemes
    3. iii. Adaptation of characteristic frequency matrices for individual or previously classified glycoproteins to the specific signal groups using mathematical methods
    4. iv. Determine the contributions of individual glycoprotein biomarkers by deconvolution of the spectrum using the frequency matrices fitted in step iii and adding a pre-assigned number of mathematical functions.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Selektion von Glykoporoteinen aus einer Probe von Blutserum und/oder Blutplasma anhand ihrer spezifischen Diffusions- und/oder Relaxationseigenschaften (Schritt i) mittels der Diffusionsdifferenzspektroskopie (DDS), wobei Differenzen von Diffusionsspektren mit unterschiedlichen Diffusionsparametern zur Selektion von Proteinen unterschiedlicher Größe und Diffusionseigenschaften verwendet werden.In a preferred embodiment of the invention, the selection of glycoporoteins from a sample of blood serum and/or blood plasma based on their specific diffusion and/or relaxation properties (step i) is carried out by means of diffusion difference spectroscopy (DDS), whereby differences of diffusion spectra with different diffusion parameters are used to select proteins of different sizes and diffusion properties.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Ermittlung der Beiträge einzelner Glykoprotein-Biomarker unter Verwendung von Differenzen der Beiträge einzelner Frequenzmatrix-Komponenten.In a further preferred embodiment of the invention, the contributions of individual glycoprotein biomarkers are determined using differences in the contributions of individual frequency matrix components.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Multiplikation mit einem durch eine Referenzmessung ermittelten Skalierungsfaktor zur Angabe von Konzentrationen in mg/ml, wobei die Multiplikation vor der Dekonvolution der Spektren oder nach Schritt iv erfolgen kann.In a further preferred embodiment, a multiplication by a scaling factor determined by a reference measurement is carried out to indicate concentrations in mg/ml, wherein the multiplication can be carried out before the deconvolution of the spectra or after step iv.

In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Computerprogrammprodukt zum Evaluieren von biologischen in-vitro-Blutplasma- oder-Serumproben enthaltend ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit computerlesbarem Programmcode, der in dem Speichermedium verkörpert ist, wobei der computerlesbare Programmcode folgendes beinhaltet: computerlesbaren Programmcode, der ein NMR-Spektrum einer Anpassungsregion einer Blutplasma- oder Serumprobe eines Individuums entfaltet, wobei der computerlesbare Programmcode das zusammengesetzte NMR-Spektrum unter Verwendung einer charakteristischen Frequenzmatrix, welche Entfaltungsmodelle für verschiedene Proteine beinhaltet, auf Signale mit Komponenten von (a) GlycA, (b) GlycB, (c) Glykan-Protonen und (d) Methyl-gruppen-Protonen angewendet und wobei der Programmcode eine Definition der Frequenzbereiche zur Ermittlung der Glykan, GlycA- und GlycB-Signalgruppen, wobei Glykan-Signalgruppe zwischen 3,4 und 5,5 ppm und die Neu5Ac-H3eq-Signalgruppe zwischen 2,6 und 2,9 ppm und die Neu5Ac-H3ax-Signalgruppe zwischen 1,6 und 1,88 ppm und die GycA-Signalgruppe zwischen 2,0 und 2,07 ppm und die GlycB-Signalgruppe zwischen 2,07 und 2,2 pm liegen und ein Schema zur Zuordnung der Signale entsprechend enthält und wobei der Programmcode eine definierte Zahl von mathematischen Funktionen bei aus der charakteristischen Frequenzmatrix bekannten Frequenzen addiert, um die Anteile der einzelnen Proteine oder Proteingruppen zu bestimmen.In a further aspect, the object of the invention is achieved by a computer program product for evaluating biological in vitro blood plasma or serum samples containing a non-volatile computer-readable storage medium with computer-readable program code embodied in the storage medium, wherein the computer-readable program code includes: computer-readable program code that deconvolves an NMR spectrum of an adaptation region of a blood plasma or serum sample of an individual, wherein the computer-readable program code applies the composite NMR spectrum to signals with components of (a) GlycA, (b) GlycB, (c) glycan protons and (d) methyl group protons using a characteristic frequency matrix that includes deconvolution models for various proteins, and wherein the program code includes a definition of the frequency ranges for determining the glycan, GlycA and GlycB signal groups, wherein the glycan signal group is between 3.4 and 5.5 ppm and the Neu5Ac-H3eq signal group is between 2.6 and 2.9 ppm and the Neu5Ac-H3ax signal group between 1.6 and 1.88 ppm and the GycA signal group between 2.0 and 2.07 ppm and the GlycB signal group between 2.07 and 2.2 pm and a scheme for assigning the signals according to and wherein the program code adds a defined number of mathematical functions at frequencies known from the characteristic frequency matrix in order to determine the proportions of the individual proteins or protein groups.

Die Selektion von Glykoporoteinen aus einer Probe von Blutserum anhand ihrer spezifischen Diffusions- und/oder Relaxationseigenschaften (Schritt i) erfolgt durch Editierung des NMR-Spektrums. Erfindungsgemäß werden zur Editierung des NMR-Spektrums J-, T2-Relaxation- und Diffusions-Editierte-Spektren oder deren Differenz verwendet, was hier als Diffusionsdifferenzspektroskopie bezeichnet wird (DDS).The selection of glycoporoteins from a sample of blood serum based on their specific diffusion and/or relaxation properties (step i) is carried out by editing the NMR spectrum. According to the invention, J-, T 2 -relaxation and diffusion-edited spectra or their difference are used to edit the NMR spectrum, which is referred to here as diffusion difference spectroscopy (DDS).

Die Editierung nach Methode der T2-Relaxation kann von dem Fachmann aus [ Carr HY, Purcell EM. Effects of Diffusion on Free Precession in Nuclear Magnetic Resonance Experiments. Phys Rev. 1954;94:630-638 und Meiboom S, Gill D. Modified Spin-Echo Method for Measuring Nuclear Relaxation Times. Review of Scientific Instruments. 1958;29:688-691 ] entnommen werden.Editing using the T2 relaxation method can be carried out by the expert from [ Carr HY, Purcell EM. Effects of diffusion on free precession in nuclear magnetic resonance experiments. Phys Rev. 1954;94:630-638 and Meiboom S, Gill D. Modified Spin-Echo Method for Measuring Nuclear Relaxation Times. Review of Scientific Instruments. 1958;29:688-691 ] can be found here.

Es kann ebenfalls die dem Fachmann aus [ Nitschke P, Lodge S, Kimhofer T, et al. J-Edited Dlffusional (JEDI) Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopic Measurement of Glycoprotein and Supramolecular Phospholipid Biomarkers of Inflammation in Human Serum. :24 ] Methode der J-Edited Dlffusional (JEDI) Protonen-NMR-Spektroskopie verwendet werden.It may also be the knowledge gained by the expert from [ Nitschke P, Lodge S, Kimhofer T, et al. J-Edited Dlffusional (JEDI) Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopic Measurement of Glycoprotein and Supramolecular Phospholipid Biomarkers of Inflammation in Human Serum. :24 ] J-Edited Dlffusional (JEDI) proton NMR spectroscopy method can be used.

Ebenfalls möglich ist die Editierung der NMR-Spektren entsprechend des DIRE-Ansatzes, der auf der Vereinfachung von 1 H-NMR-Spektren durch die Nutzung von Unterschieden in den Moleküldiffusionskoeffizienten allein und Kombinationen von Relaxations- und Diffusionsparametern beruht und dem Fachmann aus [ Liu M, Nicholson JK, Lindon JC. High-Resolution Diffusion and Relaxation Edited One- and Two-Dimensional 1 H NMR Spectroscopy of Biological Fluids. Anal Chem. 1996; 68:3370-3376 ] bekannt ist.It is also possible to edit the NMR spectra according to the DIRE approach, which is based on the simplification of 1 H-NMR spectra by using differences in the molecular diffusion coefficients alone and combinations of relaxation and diffusion parameters and is known to the person skilled in the art from [ Liu M, Nicholson JK, Lindon JC. High-Resolution Diffusion and Relaxation Edited One- and Two-Dimensional 1 H NMR Spectroscopy of Biological Fluids. Anal Chem. 1996; 68:3370-3376 ] is known.

Die Diffusionsdifferenzspektroskopie (DDS) wird hier definiert als die Verwendung einer NMR-Pulssequenz, die ein Element der Diffusionsbearbeitung enthält, von Fachleuten als DOSY (Diffusion Editing Spectroscopy) [ Liu M, Nicholson JK, Lindon JC. High-Resolution Diffusion and Relaxation Edited One- and Two-Dimensional1 H NMR Spectroscopy of Biological Fluids. Anal Chem. 1996; 68:3370-3376 .] bezeichnet, wobei die Spektren mit unterschiedlichen Diffusionsparametern aufgenommen werden, sodass die Differenz einzelner Spektren zur Selektion eines Bereichs von Diffusionsraten führt, wobei in jedem Bereich Proteine unterschiedlicher Diffusionsparameter, und als Konsequenz unterschiedlicher Größe abgebildet werden. Für DDS können zwei oder mehr solcher Spektren mit unterschiedlichen Diffusionsparametern verwandt werden.Diffusion difference spectroscopy (DDS) is defined here as the use of an NMR pulse sequence containing an element of diffusion editing, known by experts as DOSY (Diffusion Editing Spectroscopy) [ Liu M, Nicholson JK, Lindon JC. High-Resolution Diffusion and Relaxation Edited One- and Two-Dimensional1 H NMR Spectroscopy of Biological Fluids. Anal Chem. 1996; 68:3370-3376 .], where the spectra are recorded with different diffusion parameters, so that the difference between individual spectra leads to the selection of a range of diffusion rates, with proteins with different diffusion parameters and, as a consequence, different sizes being imaged in each range. For DDS, two or more such spectra with different diffusion parameters can be used.

Die DDS ermöglicht eine Editierung von NMR Spektren zur Selektion von Proteinen unterschiedlicher Diffusionseigenschaften, die sich zum Beispiel aus der Proteingröße ergeben. Mittels DDS können zusätzlich die Signale von kleinen Molekülen (<1000 Da) und von Lipoproteinen in NMR-Spektren unterdrückt werden.DDS enables editing of NMR spectra to select proteins with different diffusion properties, which result, for example, from protein size. DDS can also be used to suppress the signals of small molecules (<1000 Da) and lipoproteins in NMR spectra.

Alternativ können im Schritt i auch NMR-Verfahren eingesetzt werden, welche bestimmte Frequenzen selektieren und mittels, dem Fachmann als TOCSY (Total Correlation SpectroscopY) bekannten Verfahren, aus der initialen Selektion auf andere Frequenzbereiche übertragen. Auf diese Weise können Glycan und/oder GlycA und/oder GlycB Signale selektiert werden. [TOCSY: Kapitel 6 in J. Cavanagh, W. J. Fairbrother, A. G. Palmer .III, M. Rance and N. J. Skelton, Protein NMR Spectroscopy (2nd edition, Academic Press, 2007)].Alternatively, NMR methods can be used in step i, which select certain frequencies and transfer them from the initial selection to other frequency ranges using methods known to those skilled in the art as TOCSY (Total Correlation SpectroscopY). In this way, glycan and/or GlycA and/or GlycB signals can be selected. [TOCSY: Chapter 6 in J. Cavanagh, W. J. Fairbrother, A. G. Palmer .III, M. Rance and N. J. Skelton, Protein NMR Spectroscopy (2nd edition, Academic Press, 2007)].

zeigt ein editiertes 1H-NMR Spektrum von glykolisierten Akut-Phase-Proteinen in Blutserum. Die Glykan-Signalgruppe liegt bei 3,5 und 5,5 ppm, die Neu5Ac-H3eq-Signalgruppe zwischen 2,6 und 2,9 ppm, die Neu5Ac-H3ax-Signalgruppe zwischen 1,6 und 1,88 ppm, und die Fucose-Methyl-Signalgruppe zwischen 1,1 und 1,3 ppm, die GycA-Signalgruppe zwischen 2,0 und 2,07 ppm und die GlycB-Signalgruppe zwischen 2,07 und 2,2 ppm. Eine Zuordnung der Signale ergibt sich anhand des gezeigten Schemas, wobei die GlyA-Signalgruppe von Methylgruppen von Neu5Ac gebildet ist und wobei die GlycB-Signalgruppe von Methylgruppen von GlcNAc-Einheiten gebildet ist. shows an edited 1H-NMR spectrum of glycosylated acute phase proteins in blood serum. The glycan signal group is at 3.5 and 5.5 ppm, the Neu5Ac-H3eq signal group between 2.6 and 2.9 ppm, the Neu5Ac-H3ax signal group between 1.6 and 1.88 ppm, and the fucose-methyl signal group between 1.1 and 1.3 ppm, the GycA signal group between 2.0 and 2.07 ppm and the GlycB signal group between 2.07 and 2.2 ppm. The signals are assigned using the scheme shown, where the GlyA signal group is formed by methyl groups of Neu5Ac and the GlycB signal group is formed by methyl groups of GlcNAc units.

zeigt die typische Struktur einer aus mehreren Zuckereinheiten bestehenden Glykaneinheit, wie sie auf der Oberfläche von Glykoproteinen zu finden ist. Es ist die schematische und beispielhafte Darstellung von Glykanen, welche die N-Glykosylierung von Akutphasenproteinen bilden dargestellt. Die Glykanstrukturen können aus verschiedenen einzelnen Glykaneinheiten bestehen, und auch die Zusammensetzung der gesamten Glykananordnungen kann variieren. Die beobachteten Methylsignale, die zu den GlycA- und GlycB-Regionen der Spektren beitragen, sind mit einem Quadrat markiert. shows the typical structure of a glycan unit consisting of several sugar units, as found on the surface of glycoproteins. The schematic and exemplary representation of glycans that form the N-glycosylation of acute phase proteins is shown. The glycan structures can consist of different individual glycan units, and the composition of the entire glycan arrangements can also vary. The observed methyl signals that contribute to the GlycA and GlycB regions of the spectra are marked with a square.

zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Glykaneinheiten und -gruppen, die NMR-Signale erzeugen. Die durchgezogenen Quadrate zeigen die Methylgruppen, die zu den GlycA- und GlycB-Signalen in den NMR-Spektren beitragen. Gepunktete Kreise zeigen Protonen (H-Atome), die zu den Glykansignalen, Neu5Ac-H3ax, Neu5Ac-H3eq und Fucose-Methyl in den NMR-Spektren beitragen. shows a schematic representation of the individual glycan units and groups that generate NMR signals. The solid squares show the methyl groups that contribute to the GlycA and GlycB signals in the NMR spectra. Dotted circles show protons (H atoms) that contribute to the glycan signals, Neu5Ac-H3ax, Neu5Ac-H3eq and fucose-methyl in the NMR spectra.

zeigt zur Erläuterung des Schemas der Zuordnung die Zusammensetzung der GlycA- und GlycB-Signalhülle mit Beiträgen von Glykanstrukturen, die als Teil von Proteinglykosylierungen gefunden werden, insbesondere von den Methylgruppen (CH3) von GlcNAc und Neu5Ac (mit einem Quadrat markiert). Das GlycA-Signal setzt sich hauptsächlich aus Neu5Ac CH3 zusammen, während das GlycB-Signal hauptsächlich aus GlcNAc entsteht; Protein-Methionin-Signale tragen ebenfalls zur gesamten Signalhülle bei. In den strukturellen Darstellungen von Neu5Ac sind die GlcNAc- und Methionin-Methylgruppen (CH3) durch Quadrat gekennzeichnet. To illustrate the assignment scheme, shows the composition of the GlycA and GlycB signal envelope with contributions from glycan structures found as part of protein glycosylations, in particular from the methyl groups (CH3) of GlcNAc and Neu5Ac (marked with a square). The GlycA signal is mainly composed of Neu5Ac CH3, while the GlycB signal is mainly composed of GlcNAc; protein methionine signals also contribute to the overall signal envelope. In the structural representations of Neu5Ac, the GlcNAc and Methionine methyl groups (CH3) marked by square.

zeigt HSQC-, HMBC- und NOESY-NMR-Spektren, welche die Zuordnung von GlycA-Resonanzen zu Neu5Ac-Methylgruppen und von GlycB-Resonanzen zu GlcNAc-Methylgruppen zeigen, welches die Zuordnung von Neu5Ac CH3 zu GlycA und von GlcNAc CH3 zu GlycB belegt. (a) NOESY-Spektren zeigen, dass GlycA nur Kreuzsignale mit Neu5Ac (X,Z)-Glykanprotonen erzeugt, während GlycB Kreuzsignale mit Protonen von GlcNAc (O), die der gleichen Glykaneinheit entsprechen und auch mit nahe gelegenen Mannosen (E) und (F)-Protonen, zeigt. In (b) sind Ausschnitte aus einem NOESY-Spektrum zu sehen, die zeigen, dass nach Entfernung des gesamten Neu5Ac mit Neuraminidase nur Kreuzpeaks zwischen GlycB und GlcNAc (O) und Mannosen (E) und (F) verbleiben, was die Zuordnung von GlycA zu Neu5Ac und von GlycB zu GlcNAc weiter unterstützt. In (c) sind HSQC- und HMBC-Spektren, die Verbindungen zwischen GlycA und der assoziierten H5-Gruppe von Neu5Ac (X/Z5, durchgezogene Linie) und zwischen GlycB und der H2-Gruppe von GlcNAc (O2, gepunktete Linie) zeigen, zu sehen. Die Spektraldarstellungen belegen die Richtigkeit der Zuordnung der zu entnehmenden Glykan-Elnheiten. (d) zeigt eine Skizze, welche die Bedeutung der in (a) und (b) beobachteten NOESY-Kreuzsignale zusammenfasst. shows HSQC, HMBC and NOESY NMR spectra showing the assignment of GlycA resonances to Neu5Ac methyl groups and of GlycB resonances to GlcNAc methyl groups, which confirms the assignment of Neu5Ac CH3 to GlycA and GlcNAc CH3 to GlycB. (a) NOESY spectra show that GlycA only generates cross-peaks with Neu5Ac (X,Z) glycan protons, while GlycB shows cross-peaks with protons of GlcNAc (O) corresponding to the same glycan moiety and also with nearby mannose (E) and (F) protons. In (b) sections of a NOESY spectrum are shown, showing that after removal of all Neu5Ac with neuraminidase only cross peaks between GlycB and GlcNAc (O) and mannoses (E) and (F) remain, further supporting the assignment of GlycA to Neu5Ac and GlycB to GlcNAc. In (c) HSQC and HMBC spectra showing connections between GlycA and the associated H5 group of Neu5Ac (X/Z5, solid line) and between GlycB and the H2 group of GlcNAc (O2, dotted line) are shown. The spectral representations prove the correctness of the assignment of the glycan units to be extracted. (d) shows a sketch summarizing the meaning of the NOESY cross-peaks observed in (a) and (b).

zeigt die Beiträge der häufig vorkommenden N-Glykane, der Akut-Phase-Proteine im menschlichen Blut zum GlycA/B-Signal. (Oben) GlycA/B-Hüllkurve, die anzeigt, welche Signale durch Methylgruppen von GlcNAc (grau), Neu5Ac (schwarz) und Methionin (graue gestrichelte Linie) erzeugt werden. (Unten) Spektralbereich, der den N-Acetyl-Methylgruppen der häufigsten N-Glykane entspricht, die normalerweise im menschlichen Plasma vorkommen. Z/X bezeichnen Neu5Ac, O/P bezeichnen GlcNAc, die sich auf Glykanverzweigungen befinden, und J zeigt das distale GlcNAc der N-Glykan-Gruppe an. Das GlcNAc η ist in NMR-Spektren von Plasmaproben in der Regel nicht sichtbar. Dessen Beitrag wird durch eine dünne, grau gestrichelte Linie in den NMR-Spektren angezeigt. Die spezifischen Glykaneinheiten, die die NMR-Signale erzeugen, sind in den Glykan-Skizzen auf der rechten Seite angegeben. Es zeigt sich, dass GlycA ausschließlich mit Neu5Ac-Signalen übereinstimmt, während GlycB nur mit von GlcNAc erzeugten Signalen übereinstimmt. shows the contributions of the abundant N-glycans, the acute phase proteins in human blood, to the GlycA/B signal. (Top) GlycA/B envelope showing which signals are generated by methyl groups of GlcNAc (gray), Neu5Ac (black) and methionine (gray dashed line). (Bottom) Spectral region corresponding to the N-acetyl-methyl groups of the most abundant N-glycans normally found in human plasma. Z/X denote Neu5Ac, O/P denote GlcNAc located on glycan branches and J indicates the distal GlcNAc of the N-glycan group. The GlcNAc η is usually not visible in NMR spectra of plasma samples. Its contribution is indicated by a thin gray dashed line in the NMR spectra. The specific glycan moieties that generate the NMR signals are indicated in the glycan sketches on the right. It can be seen that GlycA exclusively matches Neu5Ac signals, whereas GlycB only matches signals generated by GlcNAc.

zeigt die Beiträge von N-Glykanen mit geringer Häufigkeit, zum GlycA/B-Signal. (Oben) GlycA/B-Hüllkurve, die anzeigt, welche Signale durch Methylgruppen von GlcNAc (grau), Neu5Ac (schwarz) und Methionin (graue gestrichelte Linie) erzeugt werden. (Unten) Spektralbereich, der den N-Acetyl-Methylgruppen der häufigsten N-Glykane entspricht, die normalerweise im menschlichen Plasma vorkommen. O/P bezeichnen GlcNAc, die sich auf Glykanverzweigungen befinden, und J bezeichnet das distale GlcNAc, das sich auf dem N-Glykan-Kern befindet. Das GlcNAc η ist bei der NMR-Untersuchung von Plasmaproben in der Regel nicht sichtbar. Dies wird durch eine dünne, grau gestrichelte Linie in den NMR-Spektren angezeigt. Die spezifischen Glykaneinheiten, die die NMR-Signale erzeugen, sind in den Glykan-Skizzen auf der rechten Seite angegeben. Es zeigt sich, dass GlycA ausschließlich mit Neu5Ac-Signalen übereinstimmt, während GlycB nur mit von GlcNAc erzeugten Signalen übereinstimmt. shows the contributions of low-abundance N-glycans to the GlycA/B signal. (Top) GlycA/B envelope showing which signals are generated by methyl groups of GlcNAc (gray), Neu5Ac (black), and methionine (gray dashed line). (Bottom) Spectral region corresponding to the N-acetyl-methyl groups of the most abundant N-glycans normally found in human plasma. O/P denote GlcNAc located on glycan branches and J denotes the distal GlcNAc located on the N-glycan core. The GlcNAc η is usually not visible during NMR examination of plasma samples. This is indicated by a thin gray dashed line in the NMR spectra. The specific glycan moieties generating the NMR signals are indicated in the glycan sketches on the right. It is shown that GlycA exclusively matches Neu5Ac signals, whereas GlycB only matches signals generated by GlcNAc.

Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Schritt iii, die Anpassung von charakteristischen Frequenzmatrizen für einzelne oder zuvor zu Klassen zusammengestellten Glykoproteinen an die bestimmten Signalgruppen mittels mathematischer Methoden eingehender erläutert, ohne dabei die Allgemeinheit der Lehre einzuschränken.In the following, step iii according to the invention, the adaptation of characteristic frequency matrices for individual glycoproteins or glycoproteins previously grouped into classes to the specific signal groups by means of mathematical methods, is explained in more detail without restricting the generality of the teaching.

Die Auswertung der Impulsfolgen für die Analyse von Glykoproteinen folgt [ Carr HY, Purcell EM. Effects of Diffusion on Free Precession in Nuclear Magnetic Resonance Experiments. Phys Rev. 1954;94:630-638 ].The evaluation of the pulse sequences for the analysis of glycoproteins follows [ Carr HY, Purcell EM. Effects of diffusion on free precession in nuclear magnetic resonance experiments. Phys Rev. 1954;94:630-638 ].

In sind typische Pulsfolgen für die NMR-Analyse von Glykoproteinen aus Blutserum oder -plasma gezeigt (a) Pulssequenz mit einem Diffusions- und Relaxationsblock unter Verwendung eines perfekten CPMG-Elements (b) Pulssequenz mit einem Diffusions-Relaxations- und J-Editierungsblock unter Verwendung eines regulären CPMG-Elements. Die Impulsfolgen (a) und (b) können mit einer oder mehreren Echozeiten (N) und mit einer oder mehreren Gradientenstärken (G1) für die Diffusionsdifferenzspektroskopie (DDS) verwendet werden, um Signale von spezifischen Glykoproteinglykanen auf der Grundlage ihrer T2-Relaxationsraten und Diffusionsregime in Differenzspektren auszuwählen. (c) Single pulsed field gradient selective (SPFGSE) TOCSY-Pulssequenz (oder einfach sTOCSY) und (d) perfect double pulsed field gradient selective (Perfect-DPFGSE) TOCSY-Pulssequenz (oder einfach sPerTOCSY) für die Auswahl von Signalen für die Glykoproteinanalyse. (e) Selektive CPMG (sCPMG) und (f) selektive perfekte CPMG (sPerCPMG) dienen demselben Zweck. Der T2-Relaxationsfilter wird zur selektiven Unterdrückung unerwünschter Proteinsignale verwendet. Beide Pulssequenzen verwenden eine um 180° amplituden- und phasenmodulierte Wellenform während des SPFGSE-Blocks, damit mehrere Glykansignale mitselektiert werden können.In typical pulse sequences for NMR analysis of glycoproteins from blood serum or plasma are shown (a) pulse sequence with a diffusion and relaxation block using a perfect CPMG element (b) pulse sequence with a diffusion relaxation and J-editing block using a regular CPMG element. Pulse sequences (a) and (b) can be used with one or more echo times (N) and with one or more gradient strengths (G1) for diffusion difference spectroscopy (DDS) to select signals from specific glycoprotein glycans based on their T2 relaxation rates and diffusion regimes in difference spectra. (c) Single pulsed field gradient selective (SPFGSE) TOCSY pulse sequence (or simply sTOCSY) and (d) perfect double pulsed field gradient selective (Perfect-DPFGSE) TOCSY pulse sequence (or simply sPerTOCSY) for selecting signals for glycoprotein analysis. (e) Selective CPMG (sCPMG) and (f) selective perfect CPMG (sPerCPMG) serve the same purpose. The T2 relaxation filter is used to selectively suppress unwanted protein signals. Both pulse sequences use a 180° amplitude and phase modulated waveform during the SPFGSE block to allow for the selection of multiple glycan signals.

zeigt eine typische Entfaltung von GlycA/B-Signalen aus einem editierten 1H-NMR-Spektrum unter Verwendung der Linienformanpassung. Intensitäten, Flächen und Positionen der angepassten Linienformen werden in Kombination mit der Frequenzmatrix und einer externen Referenz mit bekannten Konzentrationen verwendet, um einzelne oder Gruppen von Glykoproteinen in der akuten Phase zu quantifizieren. shows a typical deconvolution of GlycA/B signals from an edited 1H NMR spectrum using line shape fitting. Intensities, areas and positions of the fitted line shapes are used in combination with the frequency matrix and an external reference with known concentrations to quantify individual or groups of glycoproteins in the acute phase.

zeigt exemplarisch die Anpassung mit einer erfindungsgemäßen charakteristischen Frequenzmatrix für den Spektralbereich von GlycA/B am Beispiel des Serotransferrin. Es ist eine Darstellung der Frequenzmatrix für Serotransferrin (bestimmt durch Isolierung des Proteins aus Blutserum) (Oben) Fitting des entsprechenden NMR-Spektrums nach Aufstockung des Blutserums mit dem isolierten Serotransferrin zu sehen. (Unten) Fitting des entsprechenden NMR-Spektrums von isoliertes Serotransferrin. shows an example of the adaptation with a characteristic frequency matrix according to the invention for the spectral range of GlycA/B using serotransferrin as an example. A representation of the frequency matrix for serotransferrin (determined by isolating the protein from blood serum) is shown. (Top) Fitting of the corresponding NMR spectrum after spiking the blood serum with the isolated serotransferrin. (Bottom) Fitting of the corresponding NMR spectrum of isolated serotransferrin.

zeigt die grafische Darstellung der GlycA/B-Signale in einem NMR-Spektrum aus dem Blutserum bei denen eine Anpassung mit charakteristischen Frequenzmatrizen für mehrere Proteine vorgenommen wird. Es sind die charakteristischen Linien für verschiedene Glykoproteine zu erkennen. Das verwendete Spektrum kann mit jeder Art von Diffusions- und Relaxationspulssequenz aufgenommen werden, die die Diffusionsdifferenzspektroskopie (DDS) zur weiteren Differenzierung der Diffusionsregime nutzen kann. shows the graphical representation of the GlycA/B signals in an NMR spectrum from blood serum where a fit is made with characteristic frequency matrices for several proteins. The characteristic lines for different glycoproteins can be seen. The spectrum used can be recorded with any type of diffusion and relaxation pulse sequence that can use diffusion difference spectroscopy (DDS) to further differentiate the diffusion regimes.

zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäße Anpassung mit einer charakteristischen Frequenzmatrix für den Spektralbereich der Glykangruppen (3,5-5,5 ppm) am Beispiel von Serotransferrin und Immunglobilin G (IgG). (a) Bearbeitete 1H-Spektren einer mit Serotransferrin versetzten Serumprobe (oben) und von isoliertem Serotransferrin (unten). (b) Bearbeitete 1H-Spektren einer mit IgG versetzten Serumprobe (oben) und von isolierten IgG (unten). shows an example of the adaptation according to the invention with a characteristic frequency matrix for the spectral range of the glycan groups (3.5-5.5 ppm) using the example of serotransferrin and immunoglobilin G (IgG). (a) Processed 1H spectra of a serum sample spiked with serotransferrin (top) and of isolated serotransferrin (bottom). (b) Processed 1H spectra of a serum sample spiked with IgG (top) and of isolated IgG (bottom).

Im Folgenden wird exemplarisch die Analyse von Proben gesunder Kontrollen im Vergleich zu Proben von Patienten mit kardiogenem Schock und COVID-19 im Vergleich zu konventionell ermittelten Werten gezeigt.The following shows an example of the analysis of samples from healthy controls compared to samples from patients with cardiogenic shock and COVID-19 in comparison to conventionally determined values.

zeigt das editierte 1H-NMR-Spektrum des Blutserums von einen COVID-19-Patient. (b) GlycA/B-Ausschnitt aus dem gefitteten NMR-Spektrum von Blutserum und (c) die aus diesem Fitting-Verfahren abgeleiteten Konzentrationen (gekennzeichnet mit „gemessen durch NMR“) im Vergleich zu konventionell ermittelten Werten (gekennzeichnet mit „konventionell ermittelt“), was die Qualität der Bestimmung von Glykoproteinen durch die oben erwähnte Diffusionsdifferenzspektroskopie veranschaulicht. shows the edited 1H NMR spectrum of blood serum from a COVID-19 patient. (b) GlycA/B section from the fitted NMR spectrum of blood serum and (c) the concentrations derived from this fitting procedure (marked “measured by NMR”) compared to conventionally determined values (marked “conventionally determined”), illustrating the quality of the determination of glycoproteins by the above-mentioned diffusion difference spectroscopy.

zeigt, wie die Spektren unter Verwendung einer Reihe charakteristischer Frequenzen dekonvolutiert wurden, um die Konzentrationen verschiedener Glykoprotein-Biomarker abzuleiten. zeigt auch, dass die relativen Konzentrationen dieser Proteine gut mit denen korrelieren, die mit herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Methoden wie beispielsweise mittels Elektroporese-Gel bestimmt wurden. shows how the spectra were deconvoluted using a range of characteristic frequencies to derive the concentrations of various glycoprotein biomarkers. also shows that the relative concentrations of these proteins correlate well with those determined by conventional methods known to those skilled in the art, such as electroporesis gel.

zeigt beispielhaft die Analyse des Blutserums für gesunde Kontrollen und Patienten mit kardiogenem Schock und COVID-19-Patienten. Es werden die erfindungsgemäß ermittelten Beiträge einzelner Glykoproteine als Biomarker aufgezeigt. (a) zeigt Haptoglobin, a-1-Antitrypsin, Ceruloplasmin und den Komplementfaktor C3 aus der NMR-Analyse. (b) die Korrelation der in gezeigten Analyse mit anderen Parametern, die aus einer NMR-Analyse von Blut gewonnen wurden. shows an example of the analysis of blood serum for healthy controls and patients with cardiogenic shock and COVID-19 patients. The contributions of individual glycoproteins as biomarkers determined according to the invention are shown. (a) shows haptoglobin, a-1-antitrypsin, ceruloplasmin and the complement factor C3 from the NMR analysis. (b) the correlation of the analysis shown with other parameters obtained from NMR analysis of blood.

Es wird in eine statistische Analyse der Spektren gezeigt. In ist die Korrelation der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Glykoproteingehalte mit konventionell ermittelten Werten dargestellt. zeigt auch, wie sich die Werte für vier Glykoproteine in drei Gruppen für Blutproben von gesunden Kontrollen, Patienten mit kardiogenem Schock und COVID-19-Patienten gruppieren, was den Wert solcher Parameter als medizinische Biomarker demonstriert.It will be in a statistical analysis of the spectra is shown. In the correlation of the glycoprotein contents determined using the method according to the invention with conventionally determined values is shown. also shows how the values for four glycoproteins cluster into three groups for blood samples from healthy controls, patients with cardiogenic shock and COVID-19 patients, demonstrating the value of such parameters as medical biomarkers.

zeigt Korrelationen solcher Glykoprotein-Biomarker mit einem Panel von Metaboliten und Lipoprotein-Biomarkern für COVID-19 im Vergleich zu gesunden Kontrollen. Dabei verweist der Durchmesser der Punkte auf unterscheidlich starke Korrelationen zwischen den ermittelten Parametern. Starke Korrelationen ergeben sich für verschiedene glykolysierte Akut-phase - Proteine mit LDL-Fraktionen (SPEZIFISCHE BEISPIELE), was zeigt, dass die Glykoproteinbiomarker stark mit Lipoproteinbiomarkern korrelieren. shows correlations of such glycoprotein biomarkers with a panel of metabolites and lipoprotein biomarkers for COVID-19 compared to healthy controls. The diameter of the points indicates different strengths of correlation between the determined parameters. Strong correlations are found for various glycolyzed acute phase proteins with LDL fractions (SPECIFIC EXAMPLES), which shows that the glycoprotein biomarkers correlate strongly with lipoprotein biomarkers.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht über bisherige Analysen von Glykoproteinen hinaus, indem die Beiträge einzelner Glykoproteine oder Proteinklassen (z. B. im Fall von IgG) oder Glykoylierungsmuster detailliert aufzeigt werden können. Dies wird durch die Bestimmung einer charakteristischen Frequenzmatrix für jedes Glykoprotein erreicht, welche dann an die Spektren von Blutserum oder -plasma angepasst wird. Die Erfindung hat erkannt, dass auch der Glykanbereich von NMR-Spektren als weiteres Merkmal des Glykoproteintyps und der Glykanstruktur verwendet werden sollte.The method according to the invention goes beyond previous analyses of glycoproteins in that the contributions of individual glycoproteins or protein classes (e.g. in the case of IgG) or glycoylation patterns can be shown in detail. This is achieved by determining a characteristic frequency matrix for each glycoprotein, which is then adapted to the spectra of blood serum or plasma. The invention has recognized that the glycan range of NMR spectra should also be used as a further feature of the glycoprotein type and glycan structure.

Erfindungsgemäß werden 1H-NMR-NMR-Spektren von Blutserum oder-plasma verwendet, um Biomarker für die Risikobewertung oder klinische Diagnose von Krankheiten abzuleiten. Spezifische Proteine oder Klassen von Proteinen, die im Blut sehr häufig vorkommen und als Akute-Phase-Proteine bezeichnet werden, werden anhand einer Matrix von für jedes Protein charakteristischen chemischen Verschiebungen identifiziert und/oder quantifiziert. Die Biomarker werden durch elektronische Entfaltung charakteristischer Proteinsignale unter Verwendung einer Matrix charakteristischer chemischer Verschiebungen für einzelne Signalkomponenten abgeleitet. Die Signalkomponenten stellen einzelne Akutphasenproteine oder Klassen von glykosylierten Akutphasenproteinen dar. Die Messungen von Akute-Phase-Proteinen können als klinische Biomarker für klinische Krankheitszustände verwendet werden.According to the invention, 1H NMR spectra of blood serum or plasma are used to derive biomarkers for risk assessment or clinical diagnosis of disease. Specific proteins or classes of proteins that are highly abundant in blood, referred to as acute phase proteins, are identified and/or quantified using a matrix of chemical shifts characteristic of each protein. The biomarkers are derived by electronic deconvolution of characteristic protein signals using a matrix of characteristic chemical shifts for individual signal components. The signal components represent individual acute phase proteins or classes of glycosylated acute phase proteins. The measurements of acute phase proteins can be used as clinical biomarkers for clinical disease states.

Die Analyse kann für medizinische Diagnosezwecke eingesetzt werden, wie in beispielhaften Fällen mit Proben von gesunden Kontrollen, kardiogenem Schock und COVID-19-Patienten gezeigt wurde. Die detaillierteren Glykoproteinparameter können die medizinische Diagnose oder die Differenzierung zwischen Patienten unterstützen.The analysis can be used for medical diagnostic purposes, as demonstrated in exemplary cases with samples from healthy controls, cardiogenic shock and COVID-19 patients. The more detailed glycoprotein parameters can support medical diagnosis or differentiation between patients.

Im Folgenden wird die Allgemeinheit der Lehre nicht einschränkend das Vorgehen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt.In the following, the generality of the teaching is shown in a non-limiting manner and the procedure for carrying out the method according to the invention is shown.

Zur Präparation der Blutproben wurde Serum oder Plasma nach in der Klinik etablierten Methoden präpariert, für Serum durch Zentrifugation nach einer Periode der Blutgerinnung und anschließender Zentrifugation, bei Plasma (EDTA oder Heparin-Plasma) Zentrifugation der Proben, nach Protokollen in klinischen Laboren.For the preparation of blood samples, serum or plasma was prepared according to methods established in the clinic, for serum by centrifugation after a period of blood coagulation and subsequent centrifugation, for plasma (EDTA or heparin plasma) by centrifugation of the samples, according to protocols in clinical laboratories.

Die gefrorenen Serum oder Plasma Proben wurde aufgetaut und anschließend 1/1 mit einem 75mM Phosphatpuffer versetzt, dann für eine Minute geschüttelt. 600µL Probe wurde dann in ein 5 mm NMR-Röhrchen transferiert. Die NMR Analyse wurde anschließend mit einem 600 MHz NMR Spektrometer (Bruker Avance III HD Spektrometer mit einem Raum-Temperatur für 1H optimierten Probenkopf) gemessen. Das Spektrometer wurde für diese Untersuchungen kalibiriert wie in Dona et al beschrieben.Frozen serum or plasma samples were thawed and then mixed 1/1 with a 75 mM phosphate buffer and shaken for one minute. 600 µL of sample was then transferred to a 5 mm NMR tube. NMR analysis was then performed using a 600 MHz NMR spectrometer (Bruker Avance III HD spectrometer with a room temperature probe head optimized for 1H). The spectrometer was calibrated for these studies as described in Dona et al.

[ Dona, A. C., Jimenez, B., Schäfer, H., Humpfer, E., Spraul, M., Lewis, M. R., et al. (2014). Precision High-Throughput Proton NMR Spectroscopy of Human Urine, Serum, and Plasma for Large-Scale Metabolic Phenotyping. Anal. Chem. 86, 9887-9894. doi:10.1021/ac5025039 ][ Dona, AC, Jimenez, B., Schäfer, H., Humpfer, E., Spraul, M., Lewis, MR, et al. (2014). Precision High-Throughput Proton NMR Spectroscopy of Human Urine, Serum, and Plasma for Large-Scale Metabolic Phenotyping. Anal. Chem.86, 9887-9894. doi:10.1021/ac5025039 ]

Verzeichnis der AbbildungenList of illustrations

  • : Schema der Zuordnung der Glykan, GlycA- und GlycB-Signalgruppen in einem editierten 1H-NMR Spektrum von Blutserum : Scheme of the assignment of the glycan, GlycA and GlycB signal groups in an edited 1H-NMR spectrum of blood serum
  • : Struktur einer aus mehreren Zuckereinheiten bestehenden Glykaneinheit : Structure of a glycan unit consisting of several sugar units
  • : Strukturen der einzelnen Glykaneinheiten, die zu den NMR-Signalen von GlycA und B beitragen. : Structures of the individual glycan units contributing to the NMR signals of GlycA and B.
  • : Hüllensignal von Glyc A und GlycB mit markierten Beiträgen von Neu5Ac, GlcNac und Methionin zur Darstellung des Schemas der Zuordnung aus : Envelope signal of Glyc A and GlycB with marked contributions of Neu5Ac, GlcNac and methionine to illustrate the assignment scheme from
  • : NMR-Spektren zur Veranschaulichung der Richtigkeit der Zuordnungen, die der Verwendung von GlycA und GlycB für die Analyse von Glykanbestandteilen in Glykoproteinen zugrunde liegen : NMR spectra illustrating the correctness of the assignments underlying the use of GlycA and GlycB for the analysis of glycan components in glycoproteins
  • : Beiträge der häufig vorkommenen N-Glykane, der Akut-Phase-Proteine im menschlichen Blut : Contributions of the abundant N-glycans, the acute phase proteins in human blood
  • : Beiträge von N-Glykanen mit geringer Häufigkeit, zum GlycA/B-Signal : Contributions of low abundance N-glycans to the GlycA/B signal
  • : Typische Pulsfolgen bei NMR-Spektren in der Glykoproteinanalyse Typische Impulsfolgen für die Analyse von Glykoproteinen. : Typical pulse sequences in NMR spectra in glycoprotein analysis Typical pulse sequences for the analysis of glycoproteins.
  • : Typische spektrale Entfaltung unter Verwendung der Linienformanpassung am Beispiel des GlycA/B-Spektralbereichs. : Typical spectral deconvolution using line shape fitting for the GlycA/B spectral range.
  • : Illustration einer Frequenzmatrix für den GlycA/B-Region am Beispiel von Serotransferrin : Illustration of a frequency matrix for the GlycA/B region using the example of serotransferrin
  • : Erfindungsgemäß mit charakteristischen Frequenzmatrizen angepasste GlycA/B-Region in einem NMR-Spektrum : GlycA/B region adapted according to the invention with characteristic frequency matrices in an NMR spectrum
  • : Illustration von zwei Frequenzmatrixen für die Glykan-Region am Beispiel von Serotransferrin und IgGs : Illustration of two frequency matrices for the glycan region using the example of serotransferrin and IgGs
  • : Erfindungsgemäße Analyse von Proben gesunder Kontrollen und Proben von Patienten mit kardiogenem Schock und COVID-19 im Vergleich zu einem klassischen Ansatz : Inventive analysis of samples from healthy controls and samples from patients with cardiogenic shock and COVID-19 compared to a classical approach
  • : Analyse von Blutproben von gesunden Kontrollen, kardiogenem Schock und COVID-19-Patienten. : Analysis of blood samples from healthy controls, cardiogenic shock and COVID-19 patients.

Claims (7)

Verfahren zur Messung der Beiträge einzelner Glykoproteine und/oder Glykoylierungsmuster als Biomarker, abgeleitet aus einer Analyse von NMR-Spektren von Blutserum und/oder Blutplasma, umfassend die Schritte: i. Selektion von Glykoporoteinen aus einer Probe von Blutserum und/oder Blutplasma anhand ihrer spezifischen Diffusions- und/oder Relaxationseigenschaften und/oder Frequenzen und/oder J-Kopplungen ii. Bestimmung der Glykan, GlycA- und GlycB-Signalgruppen in einem NMR-Spektrum wobei die GlyA-Signalgruppe von Methylgruppen von Neu5Ac gebildet ist und wobei die GlycB-Signalgruppe von Methylgruppen von GlcNAc-Einheiten gebildet ist und wobei die Glykan-Signalgruppe zwischen 3,5 und 5,5 ppm und die Neu5Ac-H3eq-Signalgruppe zwischen 2,6 und 2,9 ppm liegt und die Neu5Ac-H3ax-Signalgruppe zwischen 1,6 und 1,88 ppm und die GycA-Signalgruppe zwischen 2,0 und 2,07 ppm und die GlycB-Signalgruppe zwischen 2,07 und 2,2 ppm und wobei eine Zuordnung der Signale anhand des aus der zu entnehmenden Schemas erfolgt iii. Anpassung von charakteristischen Frequenzmatrizen für einzelne oder zuvor zu Klassen zusammengestellte Glykoproteine an die bestimmten Signalgruppen mittels mathematischer Methoden iv. Ermittlung der Beiträge einzelner Glykoprotein-Biomarker durch Dekonvolution des Spektrums unter Verwendung der in Schritt iii angepassten Frequenzmatrizen und Addition einer zuvor zugeordneten Anzahl von mathematischen Funktionen.Method for measuring the contributions of individual glycoproteins and/or glycation patterns as biomarkers derived from an analysis of NMR spectra of blood serum and/or blood plasma, comprising the steps: i. Selection of glycoporoteins from a sample of blood serum and/or blood plasma based on their specific diffusion and/or relaxation properties and/or frequencies and/or J-couplings ii. Determination of the glycan, GlycA and GlycB signal groups in an NMR spectrum, wherein the GlyA signal group is formed by methyl groups of Neu5Ac and wherein the GlycB signal group is formed by methyl groups of GlcNAc units and wherein the glycan signal group is between 3.5 and 5.5 ppm and the Neu5Ac-H3eq signal group is between 2.6 and 2.9 ppm and the Neu5Ac-H3ax signal group is between 1.6 and 1.88 ppm and the GycA signal group is between 2.0 and 2.07 ppm and the GlycB signal group is between 2.07 and 2.2 ppm and wherein an assignment of the signals is made based on the iii. Adaptation of characteristic frequency matrices for individual glycoproteins or glycoproteins previously grouped into classes to the specific signal groups using mathematical methods iv. Determination of the contributions of individual glycoprotein biomarkers by deconvolution of the spectrum using the frequency matrices adapted in step iii and addition of a previously assigned number of mathematical functions. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Selektion von Glykoproteinen aus einer Probe von Blutserum anhand ihrer spezifischen Diffusions- und/oder Relaxationseigenschaften (Schritt i) mittels der Diffusionsdifferenzspektroskopie (DDS) erfolgt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the selection of glycoproteins from a sample of blood serum based on their specific diffusion and/or relaxation properties (step i) is carried out by means of diffusion difference spectroscopy (DDS). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Multiplikation mit einem durch eine Referenzmessung ermittelten Skalierungsfaktor zur Angabe von Konzentrationen in mg/ml durchgeführt wird, wobei die Multiplikation vor der Dekonvolution der Spektren oder nach Schritt iv erfolgen kann.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a multiplication with a scaling factor determined by a reference measurement is carried out to indicate concentrations in mg/ml, wherein the multiplication can be carried out before the deconvolution of the spectra or after step iv. Computerprogrammprodukt zum Evaluieren von biologischen in-vitro-Blutplasma- oder-Serumproben enthaltend ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit computerlesbarem Programmcode, der in dem Speichermedium verkörpert ist, wobei der computerlesbare Programmcode Folgendes beinhaltet: computerlesbaren Programmcode, der ein NMR-Spektrum einer Anpassungsregion einer Blutplasma- oder Serumprobe eines Individuums entfaltet, wobei der computerlesbare Programmcode das zusammengesetzte NMR-Spektrum unter Verwendung einer charakteristischen Frequenzmatrix, welche Entfaltungsmodelle für verschiedene Proteine beinhaltet, auf Signale mit Komponenten von (a) GlycA, (b) GlycB, (c) Glykan-Protonen und (d) Methylgruppen-Protonen anwendet und wobei der Programmcode eine Definition der Frequenzbereiche zur Ermittlung der Glykan, GlycA- und GlycB-Signalgruppen, wobei die Glykan-Signalgruppe zwischen 3,5 und 5,5 ppm und die Neu5Ac-H3eq-Signalgruppe zwischen 2,6 und 2,9 ppm und die Neu5Ac-H3ax-Signalgruppe zwischen 1,6 und 1,88 ppm und die GycA-Signalgruppe zwischen 2,0 und 2,07 ppm und die GlycB-Signalgruppe zwischen 2,07 und 2,2 pm liegt und ein Schema zur Zuordnung der Signale entsprechend der enthält und wobei der Programmcode eine definierte Zahl von mathematischen Funktionen bei aus der charakteristischen Frequenzmatrix bekannten Frequenzen addiert, um die Anteile der einzelnen Proteine oder Proteingruppen zu bestimmen.A computer program product for evaluating in vitro biological blood plasma or serum samples comprising a non-transitory computer-readable storage medium having computer-readable program code embodied in the storage medium, the computer-readable program code comprising: computer-readable program code that deconvolves an NMR spectrum of a fit region of a blood plasma or serum sample of an individual, the computer-readable program code applying the composite NMR spectrum to signals having components of (a) GlycA, (b) GlycB, (c) glycan protons, and (d) methyl group protons using a characteristic frequency matrix that includes deconvolution models for various proteins, and the program code comprising a definition of frequency ranges for determining the glycan, GlycA, and GlycB signal groups, the glycan signal group being between 3.5 and 5.5 ppm and the Neu5Ac-H3eq signal group being between 2.6 and 2.9 ppm and the Neu5Ac-H3ax signal group is between 1.6 and 1.88 ppm and the GycA signal group is between 2.0 and 2.07 ppm and the GlycB signal group is between 2.07 and 2.2 pm and a scheme for assigning the signals according to the and wherein the program code adds a defined number of mathematical functions at frequencies known from the characteristic frequency matrix in order to determine the proportions of the individual proteins or protein groups. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder eines Computerprogrammprodukts nach Anspruch 4 in der Medizin.Use of a method according to one of the Claims 1 until 3 or a computer program product according to Claim 4 in the medicine. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder eines Computerprogrammprodukts nach Anspruch 4 zur Diagnose einer Erkrankung.Use of a method according to one of the Claims 1 until 3 or a computer program product according to Claim 4 to diagnose a disease. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkrankung ein kardiogener Schock, COVID-19, Adipositas, Diabetes, ein metabolisches Syndrom, Herzversagen, rheumatoide Arthritis, eine chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), systemischer Lupus erythematodes, Psoriasis, zystische Fibrose, ein polyzystisches Ovarialsyndrom, die Cushing-Krankheit, eine Atemwegsinfektion, HIV, primärer Aldosterismus, eine entzündliche Darmerkrankung, Nierenerkrankung, die Kawasaki-Krankheit, eine Abnahme der kognitiven Funktion oder Krebs ist.Use according to Claim 6 , characterized in that the disease is cardiogenic shock, COVID-19, obesity, diabetes, metabolic syndrome, heart failure, rheumatoid arthritis, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), systemic lupus erythematosus, psoriasis, cystic fibrosis, polycystic ovary syndrome, Cushing's disease, respiratory infection, HIV, primary aldosterism, inflammatory bowel disease, kidney disease, Kawasaki disease, decline in cognitive function or cancer.
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