DE19632521A1 - Verfahren zur Gewinnung von Peptiden aus Köperflüssigkeiten und Geweben sowie Zellüberständen und zur Identifikation von krankheitsrelevanten Peptidmarkern - Google Patents

Verfahren zur Gewinnung von Peptiden aus Köperflüssigkeiten und Geweben sowie Zellüberständen und zur Identifikation von krankheitsrelevanten Peptidmarkern

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DE19632521A1 DE1996132521 DE19632521A DE19632521A1 DE 19632521 A1 DE19632521 A1 DE 19632521A1 DE 1996132521 DE1996132521 DE 1996132521 DE 19632521 A DE19632521 A DE 19632521A DE 19632521 A1 DE19632521 A1 DE 19632521A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, durch das Peptide mit einem Molekulargewicht kleiner als 40 kDa von Patienten mit einer beliebigen Erkrankung so separiert und quantitativ analysiert werden, daß nach Vergleich mit dem Peptidmuster von Probanden ohne diese Erkrankung krankheitsrelevante Markerpeptide identifiziert werden. Dabei wird nach einer Ultrafiltration des Ausgangsmaterials (Blutplasma, Blutfiltrat, Urin, Liquor cerebrospinalis, Aszites, Lymphe, gastrointestinalen Sekreten, Kulturüberstand von Zellen (Primärzellkultur, etablierte Zellinien), Gelenksflüssigkeit, Gewebsextrakt) eine Peptidextraktion mit nachfolgender chromatographischer Auftrennung und massenspektrometrischer Analyse durchgeführt.
Das Verfahren ist gekennzeichnet durch
  • 1. Die Verwendung von Ultrafiltrat aus Körperflüssigkeiten und Gewebsextrakten
  • 2. Die Gewinnung der Filtrat-Peptide und ihre Auftrennung in Fraktionen
  • 3. Die Kartierung der Peptid-Fraktionen anhand von Retentionsverhalten und molekularer Masse
  • 4. Die vergleichende Analyse mit den Daten einer Referenzmessung bei gesunden Probanden
  • 5. Bestimmung von krankheitsspezifischen Peptidmarkern.
Beschreibung
Zu 1. Peptide werden nach einer dem Fachmann bekannten Ultrafiltration des entsprechenden Ausgangsmaterials im Filtrat gewonnen. Dabei werden Filter mit einer molekularen Ausschlußgröße verwendet, die zwischen 10 und 40 kDa liegt. Im Rahmen der Filtration werden zwischen 0.2 und 50 L Filtrat gewonnen, die sofort nach Abschluß der Filtration durch Ansäuern mit verdünnter Salzsäure auf einen pH-Wert von 2 bis 4 eingestellt werden.
Zu 2. Die nach Ultrafiltration im Filtrat vorliegenden Peptide werden durch Adsorption an chromatographische Säulenmaterialien, insbesondere Kationenaustauscher (z. B. Fraktogel SP 650 M, Merck, Darmstadt; Source S, Pharmacia, Freiburg), Anionenaustauscher (Merck Fraktogel TMAE 650 M, Pharrnacia Source Q) und Reverse Phase (Pharmacia Source 15 RPC, Reverse Phase C18, Vydac, Hesperia, USA) mit nachfolgender Elution im linearen Gradienten oder durch stufenweise Elution gewonnen. Die in dieser ersten Auftrennung gewonnenen Peptid-Fraktionen werden in einer zweiten chromatographischen Trennung vorzugsweise über Reverse Phase (Pharmacia Source RPC, Vydac C18) in Fraktionen aufgetrennt.
Zu 3. Die Kartierung der Peptid-Fraktionen erfolgt durch massenspektrometrische Analyse mit MALDI-MS (Matrix-assisted laser desorption ionisation mass spectrometry) und ESI-MS (Electrospray ionization-MS), hierbei vorzugsweise mit der on-line Kopplung einer microbore Reverse Phase Trennung und der Massenspektrometrie (LC-MS-Kopplung). Aus den erhaltenen Daten wird eine mehrdimensionale Tabelle nach Retentionsverhalten, Molekulargewicht und Signalintensität gebildet.
Zu 4. Die über die Schritte 1-3 gewonnenen Daten von Patienten mit einer bekannten Grunderkrankung werden mit den gleichartig gewonnenen Daten einer gesunden Referenzpopulation verglichen. Hierbei werden sowohl qualitative Änderungen (z. B. das Auftreten neuer Peptide oder das Fehlen von Peptiden) als auch quantitative Änderungen (das vermehrte bzw. verminderte Auftreten von einzelnen Peptiden) festgestellt. Die über die vergleichende Analyse definierten "Targets" werden im weiteren durch dem Fachmann bekannte Methoden peptidchemisch aufgereinigt und ihre Primärstruktur aufgeklärt.
Zu 5. Die erhaltene Sequenzinformation wird mit Protein- und Nucleinsäuredatenbanken sowie nachfolgend mit Literaturdaten verglichen. Die Relevanz der dargestellten Peptide bezüglich der untersuchten Erkrankung wird überprüft z. B. durch funktionelle Studien und durch Reihenscreening an geeigneten Patientengruppen.
Beispiel 1 Verwendung von Körperflüssigkeiten, hier: Blutfiltrat (Hämofiltrat, HF) 1. Gewinnung von HF
HF wird im Rahmen einer arterio-venösen oder auch veno-venösen Hämofiltration nach dem Fachmann bekannten Techniken an ausgewählten Patienten oder Probanden durchgeführt. Die Gewinnung von HF erfolgt in der Weise, wie sie im Prinzip bei chronisch nierenkranken Patienten routinemäßig durchgeführt wird. Über einen arterielle Ableitung und venöse Zuleitung (arterio-venöse HF) oder eine venöse Ableitung mit venöser Zuleitung (veno-venöse HF) wird das Blut des Patienten unter apparativer Unterstützung durch ein Hämofiltrationsgerät (z. B. Hemoprozessor, Sartorius, Göttingen; AK 10 HFM, Gambro, Hechingen) über ein Hämofilter geleitet (z. B. Hemoflow F 60 oder Hemoflow HF 80 S, Fresenius, Bad Homburg; Hemoflow FH 77 H und Hemoflow HF 88 H, Gambro), das eine molekulare Ausschlußgröße von bis zu 40 kDa besitzt. Das dem Patienten entzogene Filtratvolumen wird durch eine Elektrolytlösung substituiert (z. B. SH 01, SH 05, SH 22, SH 29, Schiwa, Glandorf).
Im Rahmen des hier vorliegenden Verfahrens wird eine diagnostische Hämofiltration mit dem Ziel durchgeführt, zwischen 1 und 30 L HF bei einem Patienten innerhalb einer Hämofiltration zu gewinnen. Das Hämofiltrat wird zur Vermeidung der Proteolyse sofort mit verdünnter Säure (z. B. 1 M HCl) auf einen pH-Wert zwischen 2 und 4 eingestellt und auf 4°C gekühlt.
2. Gewinnung der HF-Peptide und Auftrennung in Fraktionen 2.1 Peptidextraktion mit stufenweiser Elution
10 L Hämofiltrat werden mit entionisiertem Wasser auf eine Leitfähigkeit von 6 mS/cm verdünnt und der pH mit Salzsäure auf 2.7 eingestellt. Das HF wird dann auf eine Chromatographiesäule aufgetragen. Nach Bindung der HF-Peptide werden die gebundenen Peptide mit einer pH-Stufenelution eluiert. Dabei werden 7 Puffer mit aufsteigendem pH verwendet.
Chromatographiebedingungen:
Fluß beim Auftrag: 100 ml/min
Fluß beim Eluieren: 30 ml/min
Detektion: 214, 280 nm
Säule: Vantage (Amicon, Witten) 6 cm Durchmesser × 7 cm Füllhöhe
Säulenmaterial: Fraktogel TSK SP 650 M (Merck, Darmstadt)
Anlage: BioCAD 250, Perseptive Biosystems, Wiesbaden-Nordenstadt
Die Eluate 1-7 werden separat gesammelt.
2.2 Zweite chromatographische Auftrennung
Die Eluate 1-7 werden separat über eine Reverse-Phase-Säule chromatographiert.
Chromatographiebedingungen:
Fuß beim Auftrag: 10 ml/min
Fluß beim Eluieren: 4 ml/min
Detektion: 214 nm
Säule: HPLC-Stahlsäule, 1 cm Durchmesser, 12.5 cm Füllhöhe
Säulenmaterial: Source RPC 15 µm (Pharmacia, Freiburg)
Anlage: BioCAD, Perseptive Biosystems, Wiesbaden-Nordenstadt
Puffer A: 0.1% Trifluoressigsäure in Wasser
Puffer B: 80% Acetonitril in A
Gradient: 0% B auf 100% B in 200 ml.
Das Eluat wird in 4 ml-Fraktionen gesammelt
3. Kartierung der Peptid-Fraktionen 3.1 LC-MS-Messung der einzelnen Fraktionen
Aliquots der in 2.2 gewonnenen Fraktionen werden auf eine Microbore-Reverse Phase Säule aufgetragen und im Gradient eluiert. Die Detektion erfolgt mit UV-Detektor und on-line mit einem Elektrospray-Massenspektrometer Chromatographiebedingungen:
Fluß beim Auftrag: 20 µl/min
Fluß beim Eluieren: 20 µl/min
Detektion: 220 nm
Säule: C18 AQS, 3 µm, 120 A, 1 mm Durchmesser, 10 cm Länge (YMC, Schermbeck)
Anlage: ABI 120 Dual solvent Delivery System
Puffer A: 0.06% Trifluoressigsäure in Wasser
Puffer B: 80% Acetonitril in A
Gradient: 0% B auf 100% B in 90 min.
on-line Massenspektrometrie:
API III mit Elektrospray-Interface (Perkin-Elmer, Weiterstadt) Positive Ion Modus
Meßbereich: m/z von 300 bis 2390
Scan-Zeit: 7 sec
Scan-Fenster: 0.25 m/z.
Datenerfassung erfolgt mit MacSpec oder MultiView Software (Perkin-Elmer).
3.2 MALDI-MS Messung der einzelnen Fraktionen
Aliquots der in 2.2 gewonnenen Fraktionen werden mit unterschiedlichen Matrixsubstanzen im MALDI-MS gemessen.
Aus den Rohdaten wird eine mehrdimensionale Tabelle erstellt unter Berücksichtigung der Scan-Nummer, Signalintensität und nach Kalkulation der Massen aus den multipel geladenen Ionen eines Scans.
4. Vergleichende Analyse 4.1 Identifikation neuer, fehlender oder in ihrer Menge deutlich verschiedener Peptide 4.2 Peptidchemische Charakterisierung der identifizierten Targets
Aus dem gewonnenen Rohmaterial (z. B. Großpräparationen von Hämofiltrat) werden die identifizierten Targets in Mengen aufgereinigt, die eine Sequenzanalyse erlauben. Dazu werden die unterschiedlichen, dem Fachmann bekannten chromatographischen Trenntechniken (Reverse Phase, Ionenaustausch, Ausschlußgrößenchromatographie, Hydrophobe Interaktions-Chromatographie etc.), die im Allgemeinen zur Auftrennung von Peptidgemischen eingesetzt werden, verwendet. Nach jeder chromatographischen Trennung einer Fraktion werden über ESI-MS, MALDI-MS oder auch LC-MS die Targets erneut in den Fraktionen identifiziert. Dieses Procedere wird unter Variation der chromatographischen Parameter so oft wiederholt, bis ein reines Produkt der gesuchten Spezifikation d. h. Retentionszeit und molekularer Masse, vorliegt. Darauf folgt die Bestimmung einer Teil- oder Komplett-Aminosäure-Sequenz. Im Anschluß wird ein Datenbankvergleich durchgeführt an den bekannten Datenbanken (Swiss-Prot und EMBL-Peptid- und Nucleinsäure-Datenbank) mit dem Ziel der Identifikation der Teil- oder Komplettsequenz. Ist kein Datenbankeintrag vorhanden, erfolgt die Aufklärung der Primärstruktur.
Beispiel 2 Verwendung von Körperflüssigkeiten, hier: Aszites 1. Gewinnung von Aszites
Aszites bildet sich als extravasales Exsudat bei unterschiedlichen Erkrankungen (maligne Tumoren, Leberstörungen etc.). Im Rahmen des hier vorliegenden Verfahrens werden zwischen 1 und 10 L Aszites durch Punktion gewonnen und danach zur Vermeidung der Proteolyse sofort mit verdünnter Säure (z. B. 1 M HCl) auf einen pH-Wert zwischen 2.0 und 4.0 eingestellt und auf 4°C gekühlt. Nach einer Ultrafiltration über eine Cellulose-Triacetat Membran mit einer Ausschlußgröße von 30 kDa (Sartocon-Mini Apparatur Sartorius) wird das Filtrat als Quelle von Peptiden im weiteren verwendet.
2. Gewinnung der Aszites-Peptide und Auftrennung in Fraktionen 2.1 Peptidextraktion mit Gradienten-Elution
5 L Aszites-Filtrat werden auf pH 2.0 eingestellt und über einen präparative Reverse Phase Säule getrennt.
Chromatographiebedinungen:
Fluß beim Auftrag: 40 ml/min
Fluß beim Eluieren: 40 ml/min
Detektion: 214 nm, 280 nm
Säule: Waters Kartuschensystem, 4,7 cm Durchmesser, 30 cm Füllhöhe
Säulenmaterial: Vydac RP-C 18, 15-20 µm
Anlage: BioCAD, Perseptive Biosystems Wiesbaden-Nordenstadt
Puffer A: 0.1% Trifluoressigsäure in Wasser
Puffer B: 80% Acetonitril in A
Gradient: 0% B auf 100% B in 3000 ml.
Das Eluat wird in 50 ml-Fraktionen gesammelt.
Der weitere Verlauf der Charakterisierung entspricht Beispiel 1.
Beispiel 3 Verwendung von Körperflüssigkeiten, hier: Urin 1. Gewinnung von Urin
Urin wird direkt als Katheterurin oder als Spontanurin von Patienten in Mengen von 0,5 bis 50 L gewonnen und zur Vermeidung der Proteolyse sofort mit verdünnter Säure (z. B. 1 M HCl) auf einen pH-Wert zwischen 2.0 und 4.0 eingestellt und auf 4°C gekühlt. Nach einer Ultrafiltration über eine Cellulose-Triacetat Membran mit einer Ausschlußgröße von 30 kDa (Sartocon-Mini Apparatur, Sartorius) wird das Filtrat als Quelle von Peptiden im weiteren verwendet.
2. Gewinnung der Urin-Peptide und Auftrennung in Fraktionen 2.1 Peptidextraktion mit stufenweiser Elution
10 L Urin-Filtrat werden mit Wasser auf eine Leitfähigkeit von 6 mS/cm verdünnt und der pH mit HCl auf 2.7 eingestellt. Das Urin-Filtrat wird dann auf eine Chromatographiesäule aufgetragen. Nach Bindung der Peptide werden die gebundenen Peptide mit einem Kochsalzgradienten eluiert.
Chromatographiebedingungen:
Fluß beim Auftrag: 100 ml/min
Fluß beim Eluieren: 30 ml/min
Detektion: 214 nm
Säule: Vantage (Amicon, Witten) 6 cm Durchmesser × 7 cm Füllhöhe
Säulenmaterial: Merck Fraktogel TSK SP 650 M
Anlage: BioCAD 250, Perseptive Biosystems, Wiesbaden-Nordenstadt
Puffer A: 50 mM NaH₂PO₄ pH 3.0
Puffer B: 1,5 M NaCl in A
Gradient: 0% B auf 100% B in 2000 ml.
Das Eluat wird in 10 Pools á 200 ml gesammelt.
2.2 Zweite chromatographische Auftrennung
Die Fraktionen werden separat über eine Reverse-Phase-Säule chromatographiert.
Chromatographiebedingungen:
Fluß beim Auftrag: 10 ml/min
Fluß beim Eluieren: 4 ml/min
Detektion: 214 nm
Säule: HPLC-Stahlsäule, 1 cm Durchmesser, 12.5 cm Füllhöhe
Säulenmaterial: Pharmacia Source RPC 15 µm
Anlage: BioCAD, Perseptive Biosystems, Wiesbaden-Nordenstadt
Puffer A: 0.1% Trifluoressigsäure in Wasser
Puffer B: 80% Acetonitril in A
Gradient: 0% B auf 100% B in 200 ml.
Das Eluat wird in 4 ml-Fraktionen gesammelt.
Der weitere Verlauf der Charakterisierung entspricht Beispiel 1.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Peptidfraktionen aus Körperflüssigkeiten, Geweben und Zellüberständen beruhend auf Ultrafiltration, Ionenaustauscherextraktion, pH-Elution, Reverse-Phase Trennung und Gefriertrocknung.
2. Anwendung des Verfahrens nach 1 zur Kartierung von Peptiden aus Körperflüssigkeiten und Geweben.
3. Anwendung des Verfahrens nach 1 zur Herstellung von Proben für die Chromatographie-Massenspektrometrie-Kopplung zur vergleichenden Betrachtung des Peptidspekrums aus Körperflüssigkeiten und Geweben.
4. Anwendung des Verfahrens nach 1 und 3 zur Identifikation von Peptidmarkern.
5. Anwendung des Verfahrens nach 1 zur Aufreinigung von durch die Kartierung definierten Peptiden.
6. Anwendung des Verfahrens nach 1 und 3 zum Einsatz in der Diagnostik von Erkrankungen, die definierte Änderungen im Peptidspektrum von Körperflüssigkeiten und Geweben verursachen, insbesondere Tumorerkrankungen, Systemerkrankungen, Erkrankungen des Bewegungsapparates wie Osteoporose, des Herz-Kreislaufsystems, des Immunsystems etc.
7. Anwendung des Verfahrens nach 1 zur Entwicklung von Nachweisverfahren für Peptide wie ELISA, RIA, LC-MS-Messung.
DE1996132521 1996-08-13 1996-08-13 Verfahren zur Gewinnung von Peptiden aus Köperflüssigkeiten und Geweben sowie Zellüberständen und zur Identifikation von krankheitsrelevanten Peptidmarkern Ceased DE19632521A1 (de)

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