ES2337704T3 - Estrategia automatizada de identificacion del perfil de glucosilacion. - Google Patents

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Catherine Radcliffe
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Abstract

Un método in vitro para determinar uno o más marcadores de glucosilación de una enfermedad que comprende las etapas de: - proporcionar una muestra de enfermo y una muestra de control, donde la muestra de enfermo es una muestra de un sujeto al que se le ha diagnosticado la enfermedad y la muestra de control es una muestra de un control sano; - inmovilizar las glucoproteínas totales de la muestra de enfermo y de la muestra de control sobre una membrana de unión a proteínas o en un gel sin separar el gel en bandas; - liberar una combinación de glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas de la muestra de enfermo y liberar una combinación de glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas de la muestra de control del gel o la membrana de unión a proteínas sin haber purificado una glucoproteína específica y sin exponer la muestra de enfermo y la muestra de control a hidrazinolisis; - medir un perfil de glucosilación de la combinación de glucanos de la muestra de enfermo y medir un perfil de glucosilación de la combinación de glucanos de la muestra de control usando cromatografía, espectrometría de masas o una combinación de las mismas; y - comparar el perfil de glucosilación de la muestra de enfermo con el perfil de glucosilación de la muestra de control para determinar uno o más marcadores de glucosilación de la enfermedad.

Description

Estrategia automatizada de identificación del perfil de glucosilación.
Antecedentes de la invención
Esta invención se refiere generalmente a métodos de diagnóstico y control de enfermedades y, en particular, a métodos automáticos de diagnóstico y control de enfermedades basados en un análisis detallado de glucanos.
Los cambios en la glucosilación relacionados con enfermedades específicas para glucanos liberados a partir de IgG de suero purificada se describieron por primera vez para la artritis reumatoide, véase Parekh et. al. "Association of Rheumatoid Arthritis and Primary Osteoarthritis with Changes in the Glycosylation Pattern of Total Serum IgG", Nature, 316, págs. 452-457, 1985. Trabajos posteriores demostraron que estos cambios no sólo eran diagnósticos de artritis reumatoide (RA), sino que también podían usarse como indicadores de pronóstico, así como para el control de la actividad de la enfermedad RA, véase, por ejemplo, "Galactosylation of IgG associated oligosaccharides: Reduction in patients with adult and juvenile onset rheumatoid arthritis and relation to disease activity", R. B. Parekh, D. A. Isenberg, B. M. Ansell, I. M. Roitt, R. A. Dwek y T. W. Rademacher (1988) Lancet, 1 (8592), 966-969; "A comparative analysis of disease-associated changes in the galactosylation of serum IgG" R. B. Parekh, D. Isenberg, G. Rook, I. Roitt, R. A. Dwek y T. W. Rademacher (1989) J. Autoimmunity, 2, 101-114; 3rd Jenner International Immunoglycobiology Meeting Abstract R. B. Parekh, Isenberg, D., Dwek, R. A. y Rademacher, T. W. Glycoconjugate Journal (1994) 1, 3195-227. Posteriormente, se demostró que los cambios de glucosilación específicos en la glucosilación en suero total también pueden ser biomarcadores de otras enfermedades. Por ejemplo, Block et. al. determinaron cambios en la glucosilación específicos en el suero total de marmotas infectadas con el virus de la hepatitis B que desarrollaron carcinoma hepatocelular por realización de un análisis de glucosilación en glucanos liberados enzimáticamente a partir de una solución de suero total, véase Block, T. M., Comunale, M. A., Lowman, M., Steel, L. F., Romano, P. R., Fimmel, C., Tennant, B. C., London, W, T., Evans, A. A., Blumberg, B. S., Dwek, R. A., Mattu, T. S. y Mehta, A. S. (2005). "Use of targeted glycoproteomics to identify serum glycoproteins that correlate with liver cancer in woodchucks and humans". Proc Natl Acad Sci U S A 102: 779-84. El análisis de glucosilación de glucoproteínas en suero completo de pacientes y controles sanos usando una combinación de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) (véase Guile, G. R., et. al., "A rapid high-resolution high-performance liquid chromatographic method for separating glycan mixtures and analyzing oligosaccharide profiles". Anal. Biochem. 240: 210-26, 1996; Royle, L., et. al. "An analytical and structural database provides a strategy for sequencing O-glycans from microgram quantities of glycoproteins". Anal. Biochem. 304: 70-90, 2002) y la tecnología de Espectrometría de Masas (MS) se usó por primera vez para confirmar el diagnóstico de un paciente con trastornos congénitos de la glucosilación (CDG) tipo II y para establecer la etapa de procesamiento de glucosilación defectuosa en un paciente sin diagnosticar, véase Butler, M., et. al. "Detailed glycan analysis of serum glycoproteins of patients with congenital disorders of glycosylation indicates the specific defective glycan processing step and provides an insight into pathogenesis". Glycobiology 13: 601-22, 2003. El perfil y el análisis de glucanos eran erróneos debido a que se usó hidrazinolisis para liberar los glucanos. El uso de hidrazinolisis da como resultado la desialilación de una proporción significativa de los azúcares y la introducción de varios artefactos tales como pérdida de grupos N-acetilo y N-glicolilo de los restos de aminoazúcares (que posteriormente se vuelven a N-acetilar y esto puede dar como resultado tanto una sub-como una sobre-acetilación), así como pérdida de sustituciones O-acetilo en ácidos siálicos. Callewaert et al. usaron la liberación enzimática en el análisis de glucosilación se suero completo por electroforesis capilar en una plataforma microfluídica, véase, Callewaert, N., Contreras, R., Mitnik-Gankin, L., Carey, L., Matsudaira, P. y Ehrlich, D. (2004). "Total serum protein N-glycome profiling on a capillary electrophoresis-microfluidics platform". Electrophoresis 25: 3128-31 y Callewaert, N., Schollen, E., Vanhecke, A., Jaeken, J., Matthijs, G., y Contreras, R. (2003). "Increased fucosylation and reduced branching of serum glycoprotein N-glycans in all known subtypes of congenital disorder of glycosylation I". Glycobiology 13: 367-375. Aunque la liberación enzimática de Callewaert et. al. es compatible con un formato de alto rendimiento, sus análisis determinaron solamente las estructuras desialiladas principales. Por lo tanto, todavía existe la necesidad de desarrollar un método totalmente automatizado de alto rendimiento para determinar marcadores de glucosilación robustos de enfermedades basadas en un análisis de glucosilación detallado de glucoproteínas totales en muestras de fluido corporal o tejido corporal.
La Publicación de Patente Internacional Nº WO 2004/019040 describe un método de identificación de marcadores de patologías usando espectrometría de masas en muestras que contienen glucanos parcialmente purificadas.
La Publicación de Patente de Estados Unidos Nº US 2004/0253651 describe un método de diagnóstico del cáncer en una muestra biológica por determinación de la presencia de secuencias de oligosacáridos específicas de cáncer en la muestra.
Sumario de la invención
Una realización de la invención es un método in vitro de terminación de uno o más marcadores de glucosilación de una enfermedad que comprende las etapas de:
-
proporcionar una muestra de enfermo y una muestra de control, donde la muestra de enfermo es una muestra de un sujeto al que se le ha diagnosticado la enfermedad y la muestra de control es una muestra de un control sano;
-
inmovilizar las glucoproteínas totales de la muestra de enfermo y de la muestra de control en una membrana de unión a proteínas o en un gel sin separar el gel en bandas;
-
liberar una combinación de glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas de la muestra de enfermo y liberar una combinación de glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas de la muestra de control del gel o la membrana de unión a proteínas sin haber purificado un glucoproteína específica y sin exponer la muestra de enfermo y la muestra de control a hidrazinolisis;
-
medir un perfil de glucosilación de la combinación de glucanos de la muestra de enfermo y medir un perfil de glucosilación de la combinación de glucanos de la muestra de control usando cromatografía, espectrometría de masas o una combinación de las mismas; y
-
comparar el perfil de glucosilación de la muestra de enfermo con el perfil de glucosilación de la muestra de control para determinar uno o más marcadores de glucosilación de la enfermedad.
La muestra puede ser una muestra de un fluido corporal, por ejemplo, suero completo o un tejido corporal. Los glucanos pueden ser glucanos unidos a N o glucanos unidos a O.
El método puede incluir una etapa adicional de marcaje de los glucanos de la combinación de glucanos con un marcador radiactivo o fluorescente antes de medir el perfil de glucosilación.
El método puede comprender además seleccionar un mejor marcador de glucosilación de entre los marcadores de glucosilación, donde el mejor marcador de glucosilación tiene una mayor correlación con uno o más parámetros de la enfermedad.
El método puede comprender además una etapa de segregación y/o amplificación del uno o más marcadores de glucosilación por digestión de los glucanos con una o más exoglucosidasas. Dicha digestión puede realizarse de forma secuencial o con una serie que comprende la una o más exoglucosidasas.
El método puede incluir una etapa de uso de una base de datos para realizar asignaciones preliminares y finales de las estructuras de los glucanos.
El método puede comprender además una etapa de uso del uno o más marcadores de glucosilación de la enfermedad para diagnosticar, pronosticar y/o controlar la enfermedad.
Otra realización de la invención es un método in vitro para diagnosticar y controlar una enfermedad en un sujeto que comprende las etapas de:
-
proporcionar una muestra de fluido corporal o un tejido corporal del sujeto;
-
inmovilizar las glucoproteínas totales de la muestra en una membrana de unión a proteínas o en un gel sin separar el gel en bandas;
-
liberar una combinación de glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas de la muestra del gel o la membrana de unión a proteínas sin haber purificado una glucoproteína específica y sin exponer la muestra a hidrazinolisis;
-
medir un perfil de glucosilación de la combinación de glucanos; y
-
determinar un estado clínico del sujeto a partir de uno o más marcadores de glucosilación de la enfermedad en el perfil de glucosilación.
La enfermedad puede ser cáncer, una enfermedad autoinmune o un trastorno congénito de la glucosilación. La enfermedad autoinmune puede ser artritis reumatoide.
El fluido corporal puede ser suero completo.
En ciertas realizaciones en las que la enfermedad autoinmune es artritis reumatoide y el fluido corporal es suero completo, el marcador de glucosilación es una relación entre glucanos G0 y glucanos triple-G1.
El método puede comprender además una etapa de segregación y/o amplificación del uno o más marcadores de glucosilación por digestión de los glucanos con una o más exoglucosidasas.
Breve descripción de los dibujos
La Figuras 1 ilustra una estrategia para el análisis estructural de glucanos multidimensional.
La Figura 2 ilustra el análisis de alto rendimiento de glucanos a partir de glucoproteínas del suero.
La Figura 3 muestra perfiles de cromatografía líquida de alto rendimiento de fase normal (NP-HPLC) de N-glucanos marcados con 2-AB liberados del suero completo después de la digestión con una serie de exoglucosidasas.
La Figura 4 demuestra un perfil de glucosilación de glucanos marcados con 2-AB liberados del suero completo analizados mediante NP-HPLC. El perfil de glucosilación se presenta como un cromatograma usando escalas tanto de tiempos de elución como de unidades de glucosa.
La Figura 5 demuestra el porcentaje de glucanos fucosilados de núcleo en suero completo de pacientes con HCV.
La Figura 6 muestra una electroforesis en gel de poliacrilamida con dodecilsulfato sódico (SDS-PAGE) y perfiles de NP-HPLC de glucanos liberados de inmunoglobulina G (IgG) purificada de las muestras GBRA 1 y GBRA 13.
La Figura 7 muestra los perfiles de NP-HPLC de glucanos liberados de IgG purificada de la muestra GBRA 15.
La Figura 8 muestra los perfiles de NP-HPLC de control y de la muestra GBRA 15.
La Figura 9 muestra la correlación entre un marcador de glucosilación de artritis reumatoide determinado en glucanos liberados de suero total (relación G0/triple G1) y el diagnóstico de artritis reumatoide (determinado como porcentaje de glucanos G0 en los glucanos totales liberados de IgG purificada).
Las Figuras 10a-g ilustran una base de datos de glucanos en el Instituto de Glicobiología de la Universidad de Oxford: (a) y (b) muestran la nomenclatura usada para dibujar las estructuras de glucanos y explicar las digestiones con exoglicosidasa; (c) muestra algunas de las estructuras con valores de GU enumerados en la base de datos; (d) a (g) siguen la estructura de A2G2S2 (d) a través de una serie de digestiones, proporcionándose en cada caso el valor de GU de consenso (que se calcula a partir de los valores de GU determinados experimentalmente enumerados) junto con las digestiones y productos posibles.
La Figura 11 ilustra un algoritmo para asignar estructuras de glucanos en perfiles de glucosilación usando bases de datos de glucanos.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Esta invención se refiere en general a métodos de diagnóstico y control de enfermedades y, en particular, a métodos automáticos de diagnóstico y control de enfermedades basados en un análisis de glucanos detallado.
A menos que se especifique otra cosa, los términos "un" o "uno/a" significan "uno o más".
Las expresiones "glucoperfil" o "perfil de glucosilación" se refieren a una presentación de estructuras de glucanos (oligosacáridos) presentes en una combinación de glucanos. Puede presentarse un perfil de glucosilación, por ejemplo, como una pluralidad de picos que se corresponden con estructuras de glucanos presentes en una combinación de glucanos.
La expresión "marcador de glucosilación" se refiere a una diferencia particular en la glucosilación entre una muestra de un paciente al que se le diagnosticado una enfermedad y una muestra de un control sano.
La presente invención se refiere al desarrollo de un sistema totalmente automatizado basado en un análisis detallado de la glucosilación. La metodología general del análisis de glucosilación detallado se ilustra en la Figura 1. Una combinación de glucanos (de glucanos unidos a N y/o glucanos unidos a O) de glucoproteínas totales, es decir, de todas o sustancialmente todas las glucoproteínas, puede liberarse de una muestra de un fluido corporal o tejido corporal obtenido de un sujeto. La liberación de la combinación de glucanos se realiza sin exponer la muestra a hidrazinolisis y sin haber purificado una glucoproteína específica. El análisis detallado de la combinación de glucanos puede realizarse por cromatografía líquida de alto rendimiento, espectrometría de masas o una combinación de las mismas. Los glucanos liberados pueden marcarse fluorescentemente antes del análisis. El análisis detallado puede incluir la separación de la combinación de glucanos en varias alícuotas basándose en la carga de los glucanos en cada alícuota por cromatografía de intercambio aniónico débil (WAX) o una técnica relacionada. El análisis de NP-HPLC puede realizarse en cada alícuota. El análisis de NP-HPLC realizado en la combinación de glucanos total o en alícuotas de WAX de la combinación de glucanos puede dar como resultado un perfil de glucosilación que puede comprender una pluralidad de picos. Cada pico en el perfil de glucosilación puede asignarse de forma preliminar a una estructura de glucano particular usando una base de datos de estructuras de glucanos conocidas. La base de datos puede recomendar un tratamiento con exoglicosidasa particular para establecer una asignación final de cada pico en el perfil de glucosilación.
La Figura 2 ilustra una realización posible de un sistema de alto rendimiento totalmente automático basado en el análisis cuantitativo de glucanos detallado. El sistema de alto rendimiento totalmente automatizado debería usar, por ejemplo, métodos de liberación de glucanos totalmente compatibles con un formato de alto rendimiento y debería incluir un análisis de datos asistido por ordenador adecuado para la exploración clínica. Por consiguiente, la presente invención proporciona métodos de liberación de glucanos compatibles con un formato de alto rendimiento, bases de datos y métodos de uso de bases de datos en un análisis automático de glucanos. La presente invención también proporciona métodos de determinación de marcardores de glucosilación de enfermedad basados en el análisis detallado de la glucosilación y métodos relacionados para el uso de los marcadores de glucosilación de enfermedad para el diagnóstico y el control de la enfermedad.
Una realización de la invención es un método in vitro de determinación de uno o más marcadores de glucosilación de enfermedad que comprende obtener una muestra de enfermo y una muestra de control, en el que la muestra de enfermo es una muestra de un paciente al que se ha diagnosticado la enfermedad y la muestra de control es una muestra de un control sano; inmovilizar las glucoproteínas totales de la muestra de enfermo y de la muestra de control sobre una membrana de unión a proteínas o en un gel sin separar el gel en bandas; liberar una combinación de glucanos de la muestra de enfermo de las glucoproteínas inmovilizadas totales de la muestra de enfermo y una combinación de glucanos de control de las glucoproteínas inmovilizadas totales de la muestra de control del gel o la membrana de unión a proteínas sin haber purificado una glucoproteína específica y sin exponer la muestra de enfermo y la muestra de control a hidrazinolisis; medir un perfil de glucosilación de muestra de enfermo de la combinación de glucanos de la muestra de enfermo y un perfil de glucosilación de control de la combinación de glucanos de control usando cromatografía, espectrometría de masas o una combinación de las mismas; comparar el perfil de glucosilación de la muestra de enfermo y los perfiles de glucosilación de control para determinar dicho uno o más marcadores de glucosilación de enfermedad. En algunas realizaciones, la comparación del perfil de glucosilación de enfermo y el perfil de glucosilación de control puede comprender comparar las proporciones de picos en el perfil de glucosilación de enfermo y en el perfil de glucosilación de control. En algunas realizaciones, el método de determinación de uno o más marcadores de glucosilación de cáncer puede comprender además seleccionar un mejor marcador de glucosilación de enfermedad de entre los uno o más marcadores de glucosilación de enfermedad, en el que el mejor marcador de glucosilación tiene la mayor correlación con uno o más parámetros del paciente al que se le ha diagnosticado un cáncer. Los parámetros del paciente al que se le ha diagnoticado la enfermedad pueden ser, por ejemplo, diagnóstico, edad, sexo, fase del cáncer, respuesta a terapia, historia médica o cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, la comparación del perfil de glucosilación de enfermo y el perfil de glucosilación de control puede realizarse después de la digestión de la combinación de glucanos de la muestra de enfermo y la combinación de glucanos de la muestra de control con una o más enzimas exoglucosidasas en cualquier combinación. Por ejemplo, la digestión de la combinación de glucanos de la muestra de enfermo y la combinación de glucanos de la muestra de control puede ser una digestión secuencial, la digestión de la combinación de glucanos de la muestra de enfermo y de la combinación de glucanos de la muestra de control puede ser una digestión con una serie que comprende una o más enzimas exoglucosidasas. En algunas realizaciones, la digestión de la combinación de glucanos de la muestra de enfermo y de la combinación de glucanos de la muestra de control con una o más glucosidasas en cualquier combinación puede usarse para amplificar y/o segregar los marcadores de glucosilación de enfermedad. El marcador de glucosilación determinado puede usarse para diagnosticar, controlar y/o pronosticar la enfermedad en un sujeto basándose en un análisis detallado de la glucosilación usando HPLC, espectrometría de masas o una combinación de las mismas. El marcador de glucosilación determinado también puede usarse para aislar en el fluido corporal o el tejido corporal una o más glucoproteínas con una glucosilación alterada, es decir, para aislar una o más glucoproteínas que sean biomarcadores específicos de la enfermedad. El marcador de glucosilación determinado también puede usarse para diagnosticar, controlar y/o pronosticar una enfermedad usando técnicas analíticas distintas de las técnicas usadas para determinar el marcador de glucosilación. Estas otras técnicas analíticas pueden ser, por ejemplo, electroforesis capilar o cromatografía con lectina.
Otra realización de la invención es un método in vitro para diagnosticar y controlar una enfermedad en un sujeto que comprende obtener una muestra de fluido corporal o un tejido corporal del sujeto inmovilizando las glucoproteínas totales de la muestra sobre una membrana de unión a proteínas o en un gel sin separar el gel en bandas; liberar una combinación de glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas de la muestra a partir del gel o de la membrana de unión a proteínas sin haber purificado una glucoproteína específica y sin exponer la muestra a hidrazinolisis; medir un perfil de glucosilación de la combinación de glucanos; y determinar un estado clínico del sujeto a partir de un nivel de un marcador de glucosilación de enfermedad en el perfil de glucosilación. En algunas realizaciones, el marcador de glucosilación puede ser, por ejemplo, un marcador de glucosilación determinado por el método para determinar uno o más marcadores de glucosilación para una enfermedad. La medición del perfil de glucosilación puede realizarse por cualquier técnica adecuada, es decir, no necesariamente mediante la técnica usada para determinar el uno o más marcadores de glucosilación de la enfermedad. Por ejemplo, la medición del perfil de glucosilación puede realizarse mediante electroforesis capilar o cromatografía con lectina.
Los métodos de la presente invención pueden dirigirse a cualquier enfermedad asociada con cambios de glucosilación, tales como enfermedades autoinmunes, trastornos congénitos de la glucosilación o cánceres. La enfermedad autoinmune puede ser, por ejemplo, artritis reumatoide, osteoartritis, artritis crónica juvenil, lupus eritematoso sistémico, síndrome de Sjogren, espondilitis anquilosante, artritis psoriásica, esclerosis múltiple, enfermedad inflamatoria del intestino, enfermedad de injerto frente a huésped y esclerodermia. El cáncer puede ser, por ejemplo, cáncer de próstata, cáncer pancreático, cáncer de mama, cáncer de vejiga, cáncer renal, cáncer de colon, cáncer de ovario, carcinoma hepatocelular, cáncer de estómago o cáncer pulmonar. La metodología de la presente invención en lo que se refiere a la artritis reumatoide y otras enfermedades autoinmunes se describe en la solicitud de patente provisional de Estados Unidos "High throughput glycan analysis for diagnosing and monitoring rheumatoid arthritis and other autoimmune diseases" para Dwek et al. La metodología de la presente invención en lo que se refiere al cáncer se describe en la solicitud provisional de los Estados Unidos para Dwek et. al., "Glycosilation markers for cancer diagnostics and monitoring".
El "sujeto" de las realizaciones anteriores es un animal, más preferiblemente un mamífero y, más preferiblemente un ser humano.
Liberación de Glucanos
Pueden liberarse glucanos a partir de una muestra de un fluido corporal o un tejido corporal, tal como una muestra de suero completo, plasma sanguíneo, orina, líquido seminal, plasma seminal, heces o saliva. Los glucanos liberados pueden ser N-glucanos u O-glucanos. La liberación de una combinación de glucanos de glucoproteínas de una muestra de un fluido corporal o un tejido corporal se realiza sin haber purificado las glucoproteínas. En otras palabras, los glucanos liberados son glucanos de todas o sustancialmente todas las glucoproteínas presentes en la muestra de un fluido corporal o un tejido corporal más que de una o más glucoproteínas purificadas y aisladas. En algunas realizaciones, sustancialmente todas las glucoproteínas puede significar que se recuperan todas las glucoproteínas, aunque en algunas realizaciones sustancialmente todas las glucoproteínas puede significar todas las glucoproteínas excepto las que se eliminan específicamente. La liberación de glucanos puede realizarse sin exponer una muestra de un fluido corporal o un tejido corporal a hidrazinolisis. En algunas realizaciones, la liberación de glucanos puede realizarse a partir de una muestra muy pequeña de un fluido corporal. En algunas realizaciones, las muestras de un fluido corporal pueden ser menores de 100 microlitros, más preferiblemente menores de 50 microlitros, aún más preferiblemente menores de 20 microlitros, aún más preferibemente menores de 10 microlitros, aún más preferiblemente menores de 5 microlitros. Los presentes métodos de liberación pueden optimizarse para trabajar con muestras de fluido corporal de menos de 1 microlitro.
La liberación de glucanos comprende inmovilizar las glucoproteínas totales de un fluido corporal o un tejido corporal sobre una membrana de unión a proteínas o en un gel sin separar el gel en bandas. La membrana de unión a proteínas puede ser cualquier membrana de unión a proteínas, por ejemplo, una membrana de fluoruro de polivinilideno (PVDF), membrana de nylon o membrana de politetrafluoroetileno (PTFE). La liberación de glucanos comprende además liberar glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas en la membrana de unión a proteínas o en el gel. Cuando los glucanos liberados son glucanos unidos a N, la liberación de glucanos de las glucoproteínas inmovilizadas puede realizarse usando liberación enzimática con, por ejemplo, péptido N glicosidasa F. La liberación de glucanos del gel se realiza a partir del gel total, es decir, sin separar el gel en las bandas. En algunas realizaciones, la liberación de glucanos se realiza por métodos de liberación química, tales como \beta-eliminación o \beta-eliminación basada en amoniaco, que pueden usarse para liberar glucanos unidos a N o unidos a O de glucoproteínas inmovilizadas sobre una membrana de unión a proteínas. Para usar los métodos de esta invención en un formato de alto rendimiento, una combinación de glucanos se libera de las glucoproteínas totales inmovilizadas en un gel en una membrana de unión a proteínas ya que puede permitir el uso de muestras más pequeñas de fluido corporal o tejido corporal.
Los detalles de algunos de los métodos de liberación y su aplicabilidad tanto a glucanos unidos a N como a glucanos unidos a O se analizan a continuación, sin embargo, debería entenderse que la presente invención no se limita a los métodos de liberación analizados a continuación.
En bloque de gel: Para evitar los problemas con la limpieza de muestras después de la liberación enzimática de glucanos en fase de solución puede usarse una liberación en bloque de gel a partir de mezclas de proteínas. En resumen, la mezcla de proteínas completa (por ejemplo, suero o plasma) puede reducirse y alquilarse por adición de 4 \mul de tampón de muestras 5X (tampón de muestras 5X: 0,625 ml de Tris 0,5 M (6 g para 100 ml) ajustado a pH 6,6 con HCl, 1 ml de SDS al 10%, 0,5 ml de glicerol en 2,875 ml de agua), 2 \mul de ditiotreitol 0,5 M (DTT) y agua hasta completar 20 \mul en total, incubarse a 70ºC durante 10 min, después alquilarse por adición de 2 \mul de yodoacetamida 100 mM e incubarse durante 30 min en la oscuridad a temperatura ambiente, y después ponerse en una mezcla de SDS-gel al 15%. Puede usarse un volumen total de gel de 185 \mul (inicialmente colocado en una placa de 48 pocillos, después retirado para cortarlo) con 300 \mul de 100 U/ml de PNGasaF.
Este gel puede lavarse como alternativa con 1 ml de acetonitrilo, después con 1ml de tampón de digestión (NaHCO_{3} 20 mM, pH 7), que puede repetirse dos veces antes de que pueda secarse entonces el tapón de gel.
La PNGasaF y los fragmentos de gel pueden incubarse durante una noche a 37ºC. El sobrenadante puede recuperarse junto con 3 x lavados de agua de 200 \mul (con sonicación de los fragmentos de gel durante 30 min cada uno) seguidos de un lavado con acetonitrilo (para extraer el gel), otro lavado con agua y un lavado final con acetonitrilo. Las muestras pueden desalinizarse usando, por ejemplo, 50 \mul de AG-50(H^{+}) activado, filtrarse a través de un filtro de LH Millipore de 0,45 \mum y secarse para marcaje fluorescente. Este procedimiento puede ser más adecuado para la liberación automática de glucanos que la liberación con PNGasaF en solución y puede ser el método preferido para el análisis de glucanos de alto rendimiento. Este sistema puede modificarse además fácilmente para trabajar con cantidades más pequeñas de gel colocadas en una placa de 96 pocillos.
Liberación enzimática de N-glucanos a partir de membranas de PVDF
Las glucoproteínas en muestras de suero reducidas y desnaturalizadas pueden unirse a una membrana de PVDF hidrófoba en una placa de 96 pocillos por filtración simple. Después, las muestras pueden lavarse para eliminar contaminantes, incubarse con PNGasaF para liberar los glucanos basándose en los métodos descritos en Papac, D. I., et. al. Glycobiology 8: 445-54, 1998, y en Callewaert, N., et. al. Electrophoresis 25: 3128-31, 2004.
Después, los N-glucanos pueden eliminarse por lavado de la proteína unida, recogerse y secarse, listos para el marcaje fluorescente. Los N-glucanos pueden liberarse in situ de las glucoproteínas por incubación con PNGasaF y por medios químicos.
Liberación química de N- y O-glucanos
A diferencia de las ventajas que proporciona la liberación enzimática de N-glucanos al análisis de N-glucanos, actualmente existe una metodología no enzimática para la liberación de O-glucanos estructuralmente intactos. La liberación química por \beta-eliminación reductora puede requerir la reducción concomitante de los oligosacáridos liberados a sus derivados alditol (Amano, J. et. al. Methods Enzymol 179: 261-70, 1989) para evitar la degradación (desprendimiento). Esta destrucción impide el uso de cualquier marcaje post-liberación de modo que la detección se limita a espectrometría de masas, detección amperométrica pulsada y/o radiactividad.
Puede usarse la \beta-eliminación basada en amoniaco para liberar tanto N- como O-glucanos mediante una modificación de la \beta-eliminación clásica (Huang, Y. et. al. Analytical Chemistry 73: 6063-6069, 2001) que puede aplicarse a glucoproteínas en membranas de PVDF. Puede realizarse la \beta-eliminación basada en amoniaco a partir de membranas de PVDF. Esta estrategia puede optimizarse para alto rendimiento y puede proporcionar una estrategia poderosa para liberar tanto N- como O-glucanos en sus proporciones molares correctas y en una forma de anillo abierto adecuada para el marcaje post-liberación.
Liberación de N- y O-glucanos a partir de membranas de PVDF de unión a proteínas mediante beta-eliminación basada en amoniaco
Muestras de glucoproteína, mezclas de glucoproteínas, suero completo u otros fluidos corporales se reducen y alquilan por adición de 4 \mul de tampón de muestras 5X (tampón de muestras 5X: 0,625 ml de Tris 0,5M (6g para 100 ml) ajustado a pH 6,6 con HCl, 1 ml de SDS al 10%, 0,5 ml de glicerol, en 2,875 ml de agua), 2 \mul de ditiotreitol 0,5 M (DTT) y agua hasta completar 20 \mul en total, se incuban a 70ºC durante 10 min, después se alquilan por adición de 2 \mul de yodoacetamida 100 mM y se incuban durante 30 min en la oscuridad a temperatura ambiente. Membranas de PVDF de unión a proteínas (Durapore 13 mm x 0,45 \mum HVHP, Millipore) en portafiltros Swinnex (Millipore) se lavan previamente con 2 x 2,5 ml de agua usando una jeringa de 2,5 ml enteramente de polipropileno (Sigma), seguida de una jeringa llena de aire para eliminar la mayor parte del líquido de la membrana. La muestra reducida y alquilada se aplica después directamente a la membrana y se deja que se una durante 5 min antes de lavar por introducción de 2 x 2,5 ml de agua lentamente con una jeringa, seguido de una jeringa llena de airea para eliminar la mayor parte del líquido de la membrana. El filtro con las muestras de glucoproteína unidas se retira cuidadosamente del portafiltros y se coloca en un tubo de polipropileno con tampón de rosca de 1,5 ml con un tapón de PTFE moldeado. Se añade al tubo 1 ml de hidróxido de amonio acuoso al 29,2% saturado con carbonato de amonio más 100 mg de carbonato de amonio. Esto se incuba durante 40 horas a 60ºC, después se enfría en el frigorífico. Después se transfiere el líquido a un tubo limpio y se evapora hasta sequedad. Los glucanos liberados se vuelven a disolver en agua y se vuelven a secar hasta que se eliminan la mayoría de las sales. Se añaden 100 \mul de ácido bórico 0,5 M a los glucanos y se incuban a 37ºC durante 30 min. Después, los glucanos se secan al vacío, se añade 1 ml de metanol, se vuelven a secar, se añade 1 ml adicional de metanol y se vuelven a secar para eliminar el ácido bórico.
Análisis cuantitativo de los glucanos Mareaje de glucanos
En algunas realizaciones, tras la liberación, los glucanos pueden marcarse, por ejemplo, con un marcador fluorescente o un marcador radiactivo. El marcador fluorescente puede ser, por ejemplo, 2-aminopiridina (2-AP), 2-aminobenzamida (2-AB), ácido 2-aminoantranílico (2-AA), 2-aminoacridona (AMAC) o ácido 8-aminonaftaleno-1,3,6-trisulfónico (ANTS). Se describe el marcaje de glucanos con marcadores fluorescentes, por ejemplo, por Bigge, J. C., et. al. "Nonselective and efficient fluorescent labeling of glycans using 2-amino benzamide and anthranilic acid". Anal Biochem 230: 229-38, 1995, y Anumula, K. R. (2000). High-sensitivity and high-resolution methods for glycoprotein analysis. Analytical Biochemistry 283: 17-26. Los marcadores fluorescentes pueden marcar todos los glucanos eficazmente y de forma no selectiva y pueden permitir la detección y cuantificación de glucanos en el intervalo sub-picomolar. La elección de marcador fluorescente depende de la técnica de separación usada. Por ejemplo, se requiere específicamente un marcador cargado para la electroforesis capilar. En particular, puede preferirse un marcador 2-AB para procesos y análisis cromatográficos, enzimáticos y de espectroscopía de masas, mientras que pueden preferirse un marcador 2-AA para análisis electroforéticos. También pueden detectarse glucanos sin marcar, por ejemplo, mediante espectrometría de masas, sin embargo el marcaje fluorescente puede ayudar a la ionización de glucanos, véase, por ejemplo, Harvey, D. J. (1999). "Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry of carbohydrates". Mass Spectrom Rev 18: 349-450; Harvey, D. J. (2000). Electrospray mass spectrometry and fragmentation of N-linked carbohydrates derivatized at the reducing terminus. J Am Soc Mass Spectrom 11: 900-915.
Medición del perfil de glucosilación de los glucanos liberados
El perfil de glucosilación de los glucanos se refiere a una presentación de estructuras de glucanos particulares en la combinación de glucanos. Por ejemplo, cuando se mide por HPLC, un perfil de glucosilación puede ser un cromatograma que comprenda una pluralidad de picos que se corresponden con estructuras de glucanos en la combinación de glucanos. Cuando se mide por espectrometría de masas, un perfil de glucosilación puede ser un espectro de masas que comprende una pluralidad de patrones de fragmentación que se corresponden con estructuras de glucanos en la combinación de glucanos. La medición del perfil de glucosilación de los glucanos se puede realizarse mediante una técnica analítica cuantitativa, tal como cromatografía, espectrometría de masas, electroforesis o una combinación de las mismas. En particular, la técnica cromatográfica puede ser cromatografía de intercambio aniónico de alto rendimiento (HPAEC), cromatografía de intercambio iónico débil (WAX), cromatografía de exlusión molecular (GPC), cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC), cromatografía líquida de alto rendimiento de fase normal (NP-HPLC), HPLC de fase inversa (RP-HPLC) o HPLC de carbono de grafito poroso (PGC-HPLC). La técnica de espectrometría de masas puede ser, por ejemplo, espectrometría de masas de desorción/ionización mediante láser asistida por matriz en tiempo de vuelo (MALDI-TOF-MS), espectrometría de masas de ionización por electropulverización en tiempo de vuelo (ESI-TOF-MS), espectrometría de masas iónica positiva o negativa o cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC-MS). La técnica electroforética puede ser, por ejemplo, electroforesis en gel o electroforesis capilar. El uso de estas técnicas analíticas cuantitativas para el análisis de glucanos se describe, por ejemplo, en las siguientes publicaciones:
1)
Guile, G. R., Wong, S. Y. y Dwek, R. A. (1994). "Analytical and preparative separation of anionic oligo-saccharides by weak anion-exchange high-performance liquid chromatography on an inert polymer column". Analytical Biochemistry 222: 231-5 para HPLC;
2)
Butler, M., Quelhas, D., Critchley, A. J., Carchon, H., Hebestreit, H. F., Hibbert, R. G., Vilarinho, L., Teles, E., Matthijs, G., Schollen, E., Argibay, P., Harvey, D. J., Dwek, R. A., Jaeken, J. y Rudd, P. M. (2003). "Detailed glycan analysis of serum glycoproteins of patients with congenital disorders of glycosylation indicates the specific defective glycan processing step and provides an insight into pathogenesis". Glycobiology 13: 601-22, para MALDI-MS, NP-HPLC y ESI-cromatografía líquida/MS;
3)
Jackson, P., Pluskal, M. G. y Skea, W. (1994). "The use of polyacrylamide gel electrophoresis for the analysis of acidic glycans labeled with the fluorophore 2-aminoacridone". Electrophoresis 15: 896-902, para electroforesis en gel de poliacrilamida (PAGE);
4)
Hardy, M. R. y Townsend, R. R. (1994). "High-pH anion-exchange chromatography of glycoprotein-derived carbohydrates". Methods Enzymol 230: 208-25., para HPAEC usando detección amperométrica pulsada (PAD);
5)
Callewaert, N., Contreras, R., Mitnik-Gankin, L., Carey, L., Matsudaira, P. y Ehrlich, D. (2004). "Total serum protein N-glycome profiling on a capillary electrophoresis-microfluidics platform". Electro- phoresis 25: 3128-31 para electroforesis capilar;
6)
Guile, G. R., Rudd, P. M., Wing, D. R., Prime, S. B. y Dwek, R. A. (1996). "A rapid high-resolution high-performance liquid chromatographic method for separating glycan mixtures and analyzing oligosaccharide profiles". Anal Biochem 240: 210-26, para HPLC;
7)
Caesar, J. P., Jr., Sheeley, D. M. and Reinhold, V. N. (1990). "Femtomole oligosaccharide detection using a reducing-end derivative and chemical ionization mass spectrometry". Anal Biochem 191: 247-52, para LC-MS;
8)
Mattu, T. S., Royle, L., Langridge, J., Wormald, M. R., Van den Steen, P.E., Van Damme, J., Opdenakker, G., Harvey, D. J., Dwek, R. A. y Rudd, P. M. (2000). "O-glycan analysis of natural human neutrophil gelatinase B using a combination of normal phase-HPLC and online tandem mass spectrometry: implications for the domain organization of the enzyme". Biochemistry 39: 15695-704, para NP-HPLC y MS;
9)
Royle, L., Mattu, T. S., Hart, E., Langridge, J. I., Merry, A. H., Murphy, N., Harvey, D. J., Dwek, R. A. y Rudd, P. M. (2002). "An analytical and structural database provides a strategy for sequencing O-glycans from microgram quantities of glycoproteins". Anal Biochem 304: 70-90, para NP-HPLC y MS;
10)
Anumula, K. R. y Du, P. (1999). "Characterization of carbohydrates using highly fluorescent 2-aminobenzoic acid tag following gel electrophoresis of glycoproteins". Anal Biochem 275: 236-42, para electroforesis en gel;
11)
Huang, Y. y Mechref, Y. (2001). "Microscale nonreductive release of O-linked glycans for subsequent analysis through MALDI mass spectrometry and capillary electrophoresis". Analytical Chemistry 73: 6063-6069, para una combinación de MALDI-MS y electroforesis capilar;
12)
Burlingame, A. L. (1996). "Characterization of protein glycosylation by mass spectrometry". Curr Opin Biotechnol 7: 4-10, para espectrometría de masas;
13)
Costello, C. E. (1999). "Bioanalytic applications of mass spectrometry". Curr Opin Biotechnol 10: 22-8, para espectrometría de masas;
14)
Davies, M. J. y Hounsell, E. F. (1996). "Comparison of separation modes of high-performance liquid chromatography for the analysis of glycoprotein- and proteoglycan-derived oligosaccharides". J Chromatogr A 720: 227-33, para HPLC;
15)
El Rassi, Z. (1999). "Recent developments in capillary electrophoresis and capillary electrochromatography of carbohydrate species". Electrophoresis 20: 3134-44, para electroforesis capilar y electrocromatografía capilar;
16)
Kuster, B., Wheeler, S. F., Hunter, A. P., Dwek, R. A. y Harvey, D. J. (1997). "Sequencing of N-linked oligosaccharides directly from protein gels: in-gel deglycosylation followed by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry and normal-phase high-performance liquid chromatography". Anal-Biochem 250: 82-101, para NP-HPLC y MALDI-MS;
17)
Reinhold, V. N., Reinhold, B. B. y Chan, S. (1996). "Carbohydrate sequence analysis by electrospray ionization-mass spectrometry". Methods Enzymol 271: 377-402, para ESI-MS;
18)
Mattu, T. S., Pleass, R. J., Willis, A. C., Kilian, M., Wormald, M. R., Lellouch, A. C., Rudd, P. M., Woof, J. M. y Dwek, R. A. (1998). "The glycosylation and structure of human serum IgA1, Fab, and Fc regions and the role of N-glycosylation on Fc alpha receptor interactions". Journal of Biological Chemistry 273: 2260-72, para WAX y NP-HPLC;
19)
Callewaert, N., Schollen, E., Vanhecke, A., Jaeken, J., Matthijs, G., y Contreras, R. (2003). Increased fucosylation and reduced branching of serum glycoprotein N-glycans in all known subtypes of congenital disorder of glycosylation I. Glycobiology 13: 367-375;
20)
Block, T. M. Comunale, M. A., Lowman, M., Steel, L. F., Romano, P. R. Fimmel, C., Tennant, B. C. London, A. A. Evans, B. S. Blumberg, R. A. Dwek, T. S. Mattu y A. S. Mehta, "Use of targeted glycoproteomics to identify serum glycoproteins that correlate with liver cancer in woodchucks and humans". PNAS USA (2005) 102, 779-784;
21)
D. J. Harvey, Fragmentation of negative ions from carbohydrates: Part 1; Use of nitrate and other anionic adducts for the production of negative ion electrospray spectra from N-linked carbohydrates, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2005, 16, 622-630;
22)
D. J. Harvey, Fragmentation of negative ions from carbohydrates: Part 2, Fragmentation of high-mannose N-linked glycans, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2005, 16, 631-646;
23)
D. J. Harvey, Fragmentation of negative ions from carbohydrates: Part 3, Fragmentation of hybrid and complex N-linked glycans, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2005, 16, 647-659.
Aunque pueden usarse muchas técnicas para medir el perfil de glucosilación, en el método de determinación de uno o más marcadores de glucosilación de enfermedad puede preferirse medir los perfiles de glucosilación mediante cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) en solitario o en combinación con espectrometría de masas. Por ejemplo, puede realizarse la medición de los perfiles de glucosilación por electroforesis en gel (véase Jackson, P., Pluskal, M. G. y Skea, W. (1994). "The use of polyacrylamide gel electrophoresis for the analysis of acidic glycans labeled with the fluorophore 2-aminoacridone". Electrophoresis 15: 896-902); HPAEC usando detección amperométrica pulsada (PAD) (Townsend, R. R., Hardy, M. R., Hindsgaul, O. y Lee, Y. C. (1988). "High- performance anion-exchange chromatography of oligosaccharides using pellicular resins and pulsed amperometric detection". Anal Biochem 174: 459-70; y Hardy, M. R. y Townsend, R. R. (1994). "High-pH anion-exchange chromatography of glycoprotein-derived carbohydrates". Methods Enzymol 230: 208-25); o electroforesis capilar (véase El Rassi, Z. (1999). "Recent developments in capillary electrophoresis and capillary electrochromatography of carbohydrate species". Electrophoresis 20: 3134-44), sin embargo, estas técnicas no están idealmente adaptadas a la automatización a gran escala ni proporcionan un análisis estructural cuantitativo completo. En general, tienen escasos límites de detección, baja reproducibilidad y están limitadas por la dificultad intrínseca de obtener una caracterización estructural completa de los oligosacáridos y la ausencia de predictibilidad que es necesaria para permitir que se realicen asignaciones preliminares a las nuevas estructuras.
La medición de perfiles de glucosilación de glucanos marcados fluorescentemente (por ejemplo, glucanos marcados con 2AB) mediante HPLC puede permitir una cuantificación y una asignación estructural precisas de las estructuras de glucanos en la combinación de glucanos por integración de los picos en el cromatograma. Para un perfil de glucosilación medido por HPLC, las estructuras de glucanos presentes en la combinación de glucanos analizada se separan basándose en su tiempo de elución. Para la NP-HPLC, los tiempos de elución pueden convertirse en unidades de glucosa por comparación con un marcador de hidrolizado de dextrano patrón. El perfil de glucosilación medido por HPLC puede localizar todas las estructuras de glucanos presentes en una combinación de glucanos en proporciones molares correctas. Los grupos funcionales polares de la fase estacionaria de la HPLC pueden interaccionar con los grupos hidroxilo de los glucanos de una forma que sea reproducible para un monosacárido particular unido de una forma específica. Por ejemplo, la contribución de la adición de fucosa en la ramificación externa es mucho mayor que la adición de un resto de fucosa de núcleo; un resto de fucosa de núcleo siempre contribuye en 0,5 unidades de glucosa (gu) a la posición de elución global. Los valores graduales característicos con diferentes adiciones de monosacáridos pueden permitir la asignación preliminar de una estructura predicha para un pico particular presente en el perfil de glucosilación. Esta estructura puede confirmarse después por digestión con series de exoglucosidasas y/o espectrometría de masas. Otras técnicas, tales como la electroforesis capilar no son tan predecibles como la NP-HPLC. Aunque los tiempos de migración de la CE pueden calibrarse con patrones, los tiempos de migración de estructuras desconocidas no pueden predecirse fácilmente. También puede preferirse la medición de perfiles de glucosilación mediante NP-HPLC por la siguiente razón. La digestión de una combinación de glucanos con una o más exoglucosidasas elimina restos monosacáridos y, por lo tanto, disminuye los tiempos de retención o valores de gu asociados en el perfil de glucosilación medido por NP-HPLC. En algunas realizaciones esto puede permitir la segregación de los picos que estén asociados con uno o más marcadores de glucosilación por desplazamiento de los picos que no están relacionados con los cambios de glucosilación fuera de la región medida del perfil de glucosilación.
En algunas realizaciones, la medición de perfiles de glucosilación puede realizarse usando cromatografía líquida de alto rendimiento de fase inversa. Para perfiles de glucosilación medidos por RP-HPLC, los tiempos de elución pueden convertirse en unidades de arabinosa usando un marcador de arabinosa patrón. El uso de RP-HPLC para medir perfiles de glucosilación se describe, por ejemplo, en Guile, G. R., Harvey, D. J., O'Donnell, N., Powell, A. K., Hunter, A. P., Zamze, S., Fernandes, D. L., Dwek, R. A., y Wing, D. R. (1998). "Identification of highly fucosylated N-linked oligosaccharides from the human parotid gland. European Journal of Biochemistry" 258: 623-656; Royle, L., Mattu, T. S., Hart, E., Langridge, J. I., Merry, A. H., Murphy, N., Harvey, D. J., Dwek, R. A., y Rudd, P. M. (2002). An analytical and structural database provides a strategy for sequencing o-glycans from microgram quantities of glycoproteins. Analytical Biochemistry 304: 70-90. Pueden usarse perfiles de glucosilación medidos por RP-HPLC para complementar los perfiles de glucosilación medidos por NP-HPLC. Por ejemplo, la RP-HPLC puede separar estructuras de glucanos bisecados de estructuras de glucanos que no comprenden un resto N-acetilglucosamina de bisección. En perfiles de glucosilación medidos por NP-HPLC estas estructuras pueden estar demasiado próximas para resolverse. En algunas realizaciones, la medición de perfiles de glucosilación por RP-HPLC puede comprender el uso de uno o más tampones. La fase móvil puede ser, por ejemplo, para mejorar la reproducibilidad de la medición. El tampón puede ser, por ejemplo, disolvente A: 50 mM de formiato de amonio ajustado a pH 5 con trietilamina y disolvente B: disolvente A y acetonitrilo mezclados 50/50.
En algunas realizaciones, puede usarse HPLC como un método preparativo para recoger glucanos, es decir, puede usarse HPLC para aislar glucanos poco habituales para un análisis adicional, por ejemplo, mediante espectrometría de masas, así como para obtener parámetros para una base de datos de glucanos.
En algunas realizaciones, cada uno de los perfiles de glucosilación puede presentarse como una pluralidad de picos que se corresponden con estructuras de glucanos en los glucanos. En el método de determinación de uno o más marcadores de glucosilación, una proporción de picos se refiere a una proporción entre uno cualquiera o más picos y cualquier otro o más picos dentro del mismo perfil de glucosilación. En el método de determinación de un marcador de glucosilación, la comparación de proporciones de picos puede significar comparar las intensidades de picos o comparar las áreas integradas bajo los picos. En algunas realizaciones del método de determinación de un marcador de glucosilación, la comparación de proporciones de picos puede realizarse para glucanos de las muestras de enfermo y de control que no se digirieron con una o más exoglucosidasas. En algunas realizaciones, la comparación de proporciones de picos puede realizarse en los glucanos que se digirieron con una o más exoglucosidasas. En algunas realizaciones, la comparación de proporciones de picos puede realizarse para los glucanos que no se digirieron con exoglucosidasa y para los glucanos digeridos con una o más exoglucosidasas.
En algunas realizaciones, la medición de perfiles de glucosilación con HPLC puede complementarse con una medición de espectrometría de masas. Los datos de espectrometría de masas complementarios, tales como MALDI, ESI o LC/MS, pueden servir, por ejemplo, para la validación de perfiles de glucosilación medidos por HPLC como una técnica ortogonal separada capaz de resolver las estructuras de glucanos más complejos cuando está disponible una cantidad suficiente de muestra de un fluido corporal o tejido corporal. La espectrometría de masas usada en combinación con HPLC puede ser una herramienta poderosa para el análisis estructural de glucoproteínas. La espectrometría de masas en solitario puede usarse para el análisis estructural de glucanos proporcionando la composición de monosacáridos de glucanos. Sin embargo, la espectrometría de masas usada por sí misma no distingue monosacáridos isobáricos (y por lo tanto oligosacáridos o glucanos) y no proporciona la información sobre enlaces de monosacáridos en glucanos. Las técnicas de LC-MS/(MS) pueden proporcionar los datos más informativos de la técnica de espectrometría de masas, veáse Caesar, J. P., Jr., Sheeley, D. M. y Reinhold, V. N. (1990). "Femtomole oligosaccharide detection using a reducing-end derivative and chemical ionization mass spectrometry". Anal Biochem 191: 247-52; Mattu, T. S., Pleass, R. J., Willis, A. C., Kilian, M., Wormald, M. R., Lellouch, A. C., Rudd, P. M., Woof, J. M. and Dwek, R. A. (1998). "The glycosylation and structure of human serum IgA1, Fab, and Fc regions and the role of N-glycosylation on Fc alpha receptor interactions". Journal of Biological Chemistry 273: 2260-72; y Royle, L., Mattu, T. S., Hart, E., Langridge, J. I., Merry, A. H., Murphy, N., Harvey, D. J., Dwek, R. A. and Rudd, P. M. (2002). "An analytical and structural database provides a strategy for sequencing O-glycans from microgram quantities of glycoproteins". Anal Biochem 304: 70-90. En algunas realizaciones, la medición de perfiles de glucosilación por LC/MS puede comprender el uso de la fase de LC de la LC/MS no sólo para la limpieza y separación preliminar de glucanos antes de que entren en la fase MS de la LC/MS, sino para obtener una asignación preliminar de estructuras de glucanos en los glucanos. Esto puede conseguirse, por ejemplo, mediante el uso de una matriz de NP-HPLC, por ejemplo NP-HPLC con matriz de TSK gel amide 80 en la columna de LC de la LC/MS. En la NP-HPLC con matriz de TSK gel amide 80, los grupos hidroxilo de glucanos interaccionan con la funcionalidad amida, por lo tanto el orden de elución se determina por el número de grupos hidroxilo en un glucano particular, su confirmación molecular y su solubilidad relativa en la fase móvil. Como estrategia de primera línea, especialmente cuando las cantidades de fluido corporal o tejido corporal son limitadas, la espectrometría de masas puede no ser suficiente por sí misma para una caracterización cuantitativa precisa y la asignación estructural completa incluyendo enlaces y secuencia de monosacáridos de estructuras de glucano en la combinación de glucanos.
En algunas realizaciones de la invención, cuando la combinación de glucanos comprende glucanos cargados, la combinación de glucanos puede fraccionarse en varias alícuotas basándose en la carga. El fraccionamiento de la combinación de glucanos puede realizarse, por ejemplo, mediante cromatografía de intercambio iónico débil (WAX). Cada alícuota de WAX puede analizarse después de forma independiente mediante NP-HPLC combinada con digestiones con exoglucosidasa. La medición de perfiles de glucosilación por WAX HPLC se describe, por ejemplo, en Guile, G. R., Wong, S. Y. y Dwek, R. A. (1994). "Analytical and preparative separation of anionic oligosaccharides by weak anion-exchange high-performance liquid chromatography on an inert polymer column". Analytical Biochemistry 222: 231-5.
La medición del perfil de glucosilación de los glucanos con los métodos descritos anteriormente puede permitir detectar una estructura de glucano particular presente en los glucanos a niveles de sub-picomoles. Por consiguiente, en algunas de las realizaciones, la medición de los perfiles de glucosilación de los glucanos se realiza usando una técnica capaz de detectar una estructura de glucano presente en los glucanos en una cantidad de 1 picomol, preferiblemente de 0,1 picomol, o más preferiblemente de 0,01 picomol.
Digestión con Exoglucosidasa
En algunas realizaciones, los glucanos liberados pueden someterse a digestión enzimática adicional con una o más enzimas. La digestión enzimática puede realizarse usando cualquier enzima adecuada, tal como glucosidasas. Los ejemplos de glucosidasas adecuadas incluyen, pero sin limitación, N-glucosidasa F (PNGase F), sialidasa, \beta-galactosidasa, fucosidasa \alpha1-6,2>>3,4, \alpha1-3,4, \alpha1-2 fucosidasa, alfa-amilasa, beta-amilasa, glucano 1,4-alfa-glucosidasa, celulasa, endo-1,3(4)-beta-glucanasa, inulinasa, endo-1,4-beta-xilanasa, oligosacárido alfa-1,6-glucosidasa, dextranasa, quitinasa, poligalacturonasa, lisozima, exo-alfa-sialidasa, alfa-glucosidasa, beta-glucosidasa, alfa-galactosidasa, beta-galactosidasa, alfa-manosidasa, beta-manosidasa, beta-fructofuranosidasa, alfa,alfa-trehalasa, beta-glucuronidasa, xilano endo-1,3-beta-xilosidasa, amilo-alfa-1,6-glucosidasa, hialuronoglucosaminidasa, hialuronoglucuronidasa, xilano 1,4-beta-xilosidasa, beta-D-fucosidasa, glucano endo-1,3-beta-D-glucosidasa, alfa-L-ramnosidasa, pululanasa, GDP-glucosidasa, beta-L-ramnosidasa, fucoidanasa, glucosilceramidasa, galactosilceramidasa, galactosilgalactosilglucosilceramidasa, sacarosa alfa-glucosidasa, alfa-N-acetilgalactosaminidasa, alfa-N-acetilglucosaminidasa, alfa-L-fucosidasa, beta-N-acetilhexosaminidasa, beta-N-acetilgalactosaminidasa, ciclomaltodextrinasa, alfa-L-arabinofuranosidasa, glucuronosil-disulfoglucosamina glucuronidasa, isopululanasa, glucano 1,3-beta-glucosidasa, glucano endo-1,3-alfa-glucosidasa, glucano 1,4-alfa-maltotetrahidrolasa, micodextranasa, glucosilceramidasa, 1,2-alfa-L-fucosidasa, 2,6-beta-fructano 6-levanbiohidrolasa, levanasa, quercitrinasa, galacturano 1,4-alfa-galacturonidasa, isoamilasa, glucano 1,6-alfa-glucosidasa, glucano endo-1,beta-glucosidasa, xilano 1,3-beta-xilosidasa, liqueninasa, glucano 1,4-beta-glucosidasa, glucano endo-1,6-beta-glucosidasa, L-iduronidasa, manano 1,2-(1,3)-alfa-manosidasa, manano endo-1,4-beta-manosidasa, fructano beta-fructosidasa, agarasa, exo-poli-alfa-galacturonosidasa, kappa-carragenasa, glucano 1,3-alfa-glucosidasa, 6-fosfo-beta-galactosidasa, 6-fosfo-beta-glucosidasa, endo-1,3-alfa- galactosidasa de polisacárido capsular, beta-L-arabinosidasa, arabinogalactano endo-1,4-beta-galactosidasa, celulosa 1,4-beta-celobiosidasa, peptidoglucano beta-N-acetilmuramidasa, alfa,alfa-fosfotrehalasa, glucano 1,6-alfa-isomaltosidasa, dextrano 1,6-alfa-isomaltotriosidasa, manosil-glucoproteína endo-beta-N-acetilglucosamidasa, glucopéptido alfa-N-acetilgalactosaminidasa, glucano 1,4-alfa-maltohexaosidasa, arabinano endo-1,5-alfa-L-arabinosidasa, manano 1,4-beta-manobiosidasa, manano endo-1,6-beta-manosidasa, endo-1,4-beta-galactosidasa de sustancia de grupo sanguíneo, queratán-sulfato endo-1,4-beta-galactosidasa, esteril-beta-glucosidasa, estrictosidina beta-glucosidasa, manosil-oligosacárido glucosidasa, proteína glucosilgalactosilhidroxilisina-glucosidasa, lactasa, endogalactosaminidasa, mucinaminilserina mucinaminidasa, 1,3-alfa-L-fucosidasa, 2-desoxiglucosidasa, manosil-oligosacárido 1,2-alfa-manosidasa, manosil-oligosacárido 1,3-1,6-alfa-manosidasa, exo-1,2-alfa-glucosidasa de dextrano ramificado, glucano 1,4-alfa-maltotriohidrolasa, amigdalina beta-glucosidasa, prunasina beta-glucosidasa, vicianina beta-glucosidasa, oligoxiloglucano beta-glucosidasa, polimanuronato hidrolasa, maltosa-6'-fosfato glucosidasa, endoglucosilceramidasa, 3-desoxi-2-octulosonidasa, raucafricina beta-glucosidasa, coniferina beta-glucosidasa, 1,6-alfa-L-fucosidasa, glucirricinato beta-glucuronidasa, endo-alfa-sialidasa, glucoproteína endo-alfa-1,2-manosidasa, xilano alfa-1,2-glucuronosidasa, quitosanasa, glucano 1,4-alfa-maltohidrolasa, difructosa-anhídrido sintasa, neopululanasa, glucuronoarabinoxilano endo-1,4-beta-xilanasa, manano exo-1,2-1,6-alfa-manosidasa, anhidrosialidasa, alfa-glucosiduronasa, lacto-N-biosidasa, 4-alfa-D-{(1\rightarrow4)-alfa-D-glucano}trehalosa trehalohidrolasa, dextrinasa límite, poli(ADP-ribosa)glucohidrolasa, 3-desoxioctulosonasa, galactano 1,3-beta-galactosidasa, beta-galactofuranosidasa, tioglucosidasa, ribosilhomocisteinasa, beta-primeverosidasa.
\newpage
Más preferiblemente, en la digestión enzimática se realiza con una o más exoglucosidasas enumeradas en la Tabla 1.
1
Por ejemplo, la figura 3 ilustra perfiles de glucosilación medidos por NP-HPLC de glucanos unidos a N marcados con 2-AB liberados de suero completo después de la siguiente digestión con una serie de exoglucosidasas. Sólo se anotaron los picos principales en la Figura 3, correspondiéndose las abreviaturas usadas con las de la Tabla 2.
En algunas realizaciones, la digestión enzimática puede ser secuencial, de modo que no se eliminen todos los monosacáridos a la vez. Los glucanos digeridos pueden analizarse después de cada etapa de digestión para obtener un perfil de glucosilación. En algunas realizaciones, la digestión enzimática puede ser una digestión con una serie que comprende una o más exoglucosidasas. La digestión con una serie significa el uso de un panel de exoglucosidasas en diversas combinaciones para proporcionar varios perfiles de digestión en alícuotas de una combinación de glucanos. Cada enzima exoglucosidasa elimina monosacáridos terminales específicos unidos en enlaces definidos. En una serie, las enzimas exoglucosidasas actúan de forma secuencial dependiendo de su especificidad.
En algunas realizaciones de la invención, la digestión con una o más exoglucosidasas en cualquier combinación puede usarse para segregar el marcador o marcadores de glucosilación por desplazamiento de las estructuras de glucanos que no contengan el marcador de la región medida del perfil de glucosilación. En algunas realizaciones de la invención, la digestión con una o más exoglucosidasas en cualquier combinación puede usarse para amplificar el marcador o marcadores de glucosilación eliminando por digestión los monosacáridos que estén unidos a algunos de los oligosacáridos marcadores pero que no sean características esenciales de los marcadores. En algunas realizaciones de la invención, puede usarse la digestión con una o más exoglucosidasas tanto para amplificar como para segregar el marcador o marcadores de glucosilación. El uso de la digestión con una o más exoglucosidasas para segregar y/o amplificar los marcadores de glucosilación se ilustra, por ejemplo, en la solicitud provisional de los Estados Unidos "Glycosy- lation Markers for Cancer Diagnostics and Monitoring" para Dwek et. al. incorporada por la presente como referencia.
En algunas realizaciones, la medición de perfiles de glucosilación puede poner de manifiesto uno o más picos que no pueden asignarse a estructuras de glucanos descritas anteriormente o estructuras que no están completamente digeridas por los paneles de series de enzimas. En este caso, la digestión con una o más exoglucosidasas puede usarse para segregar estos uno o más picos para un análisis adicional. La tecnología basada en HPLC permite que se recuperen dichos glucanos del eluido de HPLC para un análisis adicional.
Bases de datos
La medición del perfil de glucosilación de los glucanos puede comprender la construcción de una base de datos de estructuras de glucanos de los glucanos. Los parámetros de esta base de datos pueden ser, por ejemplo, la estructura del glucano junto con: tiempos de elución (de datos de HPLC); masa y composición (de datos de MS); estructuras, masa y composición de glucanos determinadas experimentalmente y/o predichas, tiempos de elución, después del tratamiento con enzimas exoglucosidasas; estructuras, masa y composición de glucanos determinadas experimentalmente y/o predichas después de la fragmentación con MS. La base de datos puede realizar, por ejemplo, asignaciones preliminares y finales de las estructuras de glucanos, así como recomendar las series de exoglucosidasas apropiadas para confirmar las asignaciones preliminares. El uso de bases de datos en la medición de perfiles de glucosilación se describe, por ejemplo, en las siguientes referencias:
1)
Mattu, T. S., Royle, L., Langridge, J., Wormald, M. R., Van den Steen, P. E., Van Damme, J., Opdenakker, G., Harvey, D. H., Dwek, R. A. y Rudd, P. M. (2000). "The O-glycan analysis of natural human neutrophil gelatinase B using a novel strategy combining normal phase-HPLC and on-line tandem mass spectrometry: implications for the domain organization of the enzyme". Biochemistry 39: 15695-704.
2)
Royle, L., Mattu, T. S., Hart, E., Langridge, J. I., Merry, A. H., Murphy, N., Harvey, D. J., Dwek, R. A. y Rudd, P. M. (2002). "An analytical and structural database provides a strategy for sequencing O-glycans from microgram quantities of glycoproteins". Anal Biochem 304: 70-90,
3)
Butler, M., Quelhas, D., Critchley, A. J., Carchon, H., Hebestreit, H. F., Hibbert, R. G., Vilarinho, L., Teles, E., Matthijs, G., Schollen, E., Argibay, P., Harvey, D. J., Dwek, R. A., Jaeken, J. y Rudd, P. M. (2003). "Detailed glycan analysis of serum glycoproteins of patients with congenital disorders of glycosylation indicates the specific defective glycan processing step and provides an insight into pathogenesis". Glycobiology 13: 601-22,
4)
Peracaula, R., Royle, L., Tabares, G., Mallorqui-Fernandez, G., Barrabes, S., Harvey, D. J., Dwek, R. A., Rudd, P. M. y de Llorens, R. (2003). "Glycosylation of human pancreatic ribonuclease: differences between normal and tumor states". Glycobiology 13: 227-44,
5)
Peracaula, R., Tabares, G., Royle, L., Harvey, D. J., Dwek, R. A., Rudd, P. M. y de Llorens, R. (2003). "Altered glycosylation pattern allows the distinction between prostate-specific antigen (PSA) from normal and tumor origins". Glycobiology 13: 457-70.
Un ejemplo de la base de datos de glucanos puede ser una base de datos que comprenda estructuras de glucanos determinadas por espectrometría de masas iónica negativa en el Instituto de Glicobiología de la Universidad de Oxford. El uso de espectrometría de masas iónica negativa para el análisis de glucanos se describe, por ejemplo, en
1)
D. J. Harvey, Fragmentation of negative ions from carbohydrates: Part 1; Use of nitrate and other anionic adducts for the production of negative ion electrospray spectra from N-linked carbohydrates, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2005, 16, 622-630,
2)
D. J. Harvey, Fragmentation of negative ions from carbohydrates: Part 2, Fragmentation of high-mannose N-linked glycans, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2005, 16, 631-646,
3)
D. J. Harvey, Fragmentation of negative ions from carbohydrates: Part 3, Fragmentation of hybrid and complex N-linked glycans, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2005, 16, 647-659.
La base de datos incluye actualmente patrones de fragmentación de 60 estructuras de glucanos a partir de los perfiles espectrométricos de masas de oligosacáridos individuales y de mezclas de oligosacáridos. Los patrones de esta base de datos pueden emparejarse con perfiles de MS experimentales por emparejamiento de patrones usando programas informáticos disponibles en el mercado.
El ejemplo de la base de datos de glucanos puede ser Glycobase, una base de datos de glucanos del Instituto de Glicobiología de la Universidad de Oxford (OGBI) que se ilustra en la Figura 10. La Glycobase contiene datos analíticos para más de 290 estructuras de glucanos y puede usarse para asignar estructuras tanto preliminares como finales, así como para recomendar las series de exoglucosidasas apropiadas para confirmar las asignaciones preliminares como se ilustra en la Figura 10. Los paneles (a) y (b) de la Figura 10 muestran la nomenclatura que puede usarse para dibujar las estructuras de glucanos y explicar las digestiones con exoglucosidasas. El panel (c) muestra algunas de las estructuras con los valores de GU enumerados en la Glycobase; los paneles (d) a (g) siguen la estructura del glucano A2G2S2 (las abreviaturas usadas se explican en la Tabla 2) a través de una serie de digestiones con exoglucosidasas, proporcionándose en cada caso el valor de GU de consenso (que se calcula a partir de los valores de GU determinados experimentalmente enumerados) junto con las digestiones y productos posibles.
Los valores de GU para picos individuales pueden generarse, por ejemplo, usando el paquete de programas informáticos añadido PeakTime. El programa informático PeakTime puede calcular automáticamente, por ejemplo, el valor de GU para cada pico de muestra basándose en la comparación con un patrón de marcador de dextrano y puede enumerar las asignaciones preliminares para cada pico usando datos de la base de datos patrón. Un programa informático adicional, como PeakShift en el OGBI puede usarse para asignar estructuras a los productos de digestiones enzimáticas y confirmar cuál de las asignaciones iniciales, realizada por el programa PeakTime es correcta. El programa informático PeakShift usa una combinación de áreas de picos y los valores graduales para restos monosacáridos individuales.
Puede aplicarse un algoritmo (figura 11) basado en un modelo de transformaciones generalizadas en un conjunto de picos de cromatograma con una varianza dada para analizar adicionalmente los perfiles de glucosilación. En el campo de la glicobiología, estas transformaciones pueden representar la acción de enzimas, por ejemplo, exoglucosidasas; sin embargo la generalidad del algoritmo le concede aplicabilidad fuera del campo a cualquier área de la química o bioquímica en la que se usen métodos similares. El algoritmo puede resolverse en componentes. En primer lugar, cada cromatograma puede calibrarse en una serie de picos patrón usando una técnica de ajuste de curvas polinomial. Después puede determinarse una primera lista de asignaciones posibles para cada pico mediante la consulta de tablas frente a una base de datos de valores patrón. Puede usarse un procedimiento estadísticamente válido en la comparación, empleando la varianza conocida de tanto valores desconocidos como patrones. La etapa final puede ser una comparación con la huellas de digestión enzimática de los patrones almacenadas.
La base de datos actualmente en uso en el OGBI se actualiza continuamente según se adquieren nuevos datos. La base de datos puede presentar la abreviatura estructural, el diagrama esquemático, el valor de GU de consenso (habiendo calculado un promedio a partir de los datos introducidos para la estructura) y los productos de digestión (que se introducen para una variedad de digestiones con exoglucosidasas). Las subsecciones de la base de datos pueden ser animales unidos a N; vegetales unidos a N; ricos en manosa unidos a N; 1 y 2 de núcleo unidos a O; 3 y/o 4 de núcleo unidos a O; otros unidos a O; GSL; y misceláneo. Modificaciones adicionales de la base de datos pueden permitir que se seleccione una mayor variedad de subsecciones. Las bases de datos pueden permitir potencialmente al usuario seleccionar qué glucanos ver por selecciones tales como: qué azúcar contienen (por ejemplo, fucosa) o todas las estructuras biantenarias de N-glucano solamente.
Base de datos de glicoma sérico
Pueden construirse bases de datos separadas para glucanos liberados para suero completo sin purificar las glucoproteínas. Por ejemplo, puede construirse una base de datos específica que contenga perfiles de glucanos de suero por NP-HPLC para glucanos tanto sialilados como neutros, con actualmente 38 glucanos identificados en la Figura 4 y en la Tabla 2.
La siguiente funcionalidad se ha completado, ensayado totalmente y está actualmente en uso en el laboratorio en el Instituto de Glicobiología de la Universidad de Oxford:
1)
Una base de datos que contiene las especificidades de enzimas y los valores de GU y varianzas patrones. La estructura de la base de datos es una flexible que permite que se almacenen diferentes valores para diferentes columnas y métodos y que permite que el almacenamiento se divida fácilmente en áreas para diferentes grupos químicos, o diferentes usuarios o proyectos.
2)
Presentación gráfica. La última versión de PeakTime es capaz de presentar múltiples representaciones una encima de la otra a la misma escala y de mostrar las transformaciones debidas a enzimas como uniones entre sus picos.
3)
El cromatograma puede dibujarse con el eje de tiempo recalculado a la escala calibrada. Esto permite que se realicen comparaciones directas entre múltiples representaciones, especialmente ya que los valores de la base de datos pueden presentarse como gráficas de barras en la misma escala.
4)
Las funciones gráficas proporcionadas incluyen la ampliación, presentación como una gráfica de barras o la curva sin procesar, cambio entre áreas y alturas de picos y anotación con información tal como el nombre de la especie química determinado a partir de la secuenciación.
5)
Presentación tabular. La mayor parte de lo que se muestra gráficamente también puede presentarse en forma de tabla. Las tablas pueden ajustarse en la anchura y altura de las celdas y pueden ocultarse columnas individuales de una forma que será familiar para los usuarios de hojas de cálculo.
6)
Se proporciona un sistema de seguridad de nombres de entrada y contraseñas, permitiendo que los datos de patrones estén protegidos frente a una alteración no autorizada y, para usuarios individuales, restringir el acceso a sus datos privados.
7)
Una función de calibración de columna con un mapeo polinomial. La variedad de tipos de calibración diferentes realizadas incluye las escalas tanto de unidades de glucosa (GU) como de unidades de arabinosa (AU).
8)
Operaciones en cromatogramas. Se proporciona una función de suma y de resta. Dichas representaciones serían difíciles de interpretar sin la calibración que realiza el PeakTime.
9)
Un mecanismo de introducción de datos rápido por el que pueden añadirse datos experimentales a la base de datos arrastrándolos y soltándolos directamente con el ratón desde un cromatograma. Esto está diseñado para fomentar el uso de las bases de datos para valores efímeros del día a día y así reducir la dependencia del mantenimiento de notas de papel.
10)
Bloqueo. Una vez calibrado el cromatograma puede bloquearse de modo que puedan evitarse alteraciones involuntarias.
11)
Exportación. Las gráficas pueden exportarse a archivos en formato de mapa de bits o vector o como mapas de bits en el portapapeles de Windows. Todas las tablas pueden exportarse a archivos en formatos convencionales para transferirse a herramientas tales como Microsoft Access o Excel.
12)
Impresión. Tanto las presentaciones gráficas como tabulares pueden imprimirse desde el PeakTime y en algunos casos se proporciona una función de vista previa de impresión. Se proporcionan diversas selecciones de visualización tales como fuentes, grosor de línea y anchuras de columna.
\vskip1.000000\baselineskip
Uso de los marcadores de glucosilación de enfermedad para identificar y aislar glucoproteínas
En algunas realizaciones, el marcador de glucosilación determinado de enfermedad puede usarse para identificar y aislar una o más biomarcadores de glucoproteínas, es decir, glucoproteínas que sean específicas para la enfermedad. El biomarcador de glucoproteína de la enfermedad lleva el marcador de glucosilación de la enfermedad. El aislamiento de los biomarcadores de glucoproteínas de la enfermedad puede realizarse usando lectinas o anticuerpos monoclonales. Por ejemplo, se usaron lectinas para aislar gp73, un marcador de glucoproteína de hepatitis B asociado con cáncer de hígado en "Use of targeted glycoproteomics to identify serum glycoproteins that correlate with liver cancer in woodchucks and humans". T. M. Block, M. A. Comunale, M. Lowman, L. F. Steel, P. R. Romano, C. Fimmel, B. C. Tennant, W. T. London, A. A. Evans, B. S. Blumberg, R. A. Dwek, T. S. Mattu y A. S. Mehta (2005) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 779-784.
Los siguientes ejemplos ilustran la metodología para determinar los marcadores de glucosilación de enfermedad y el uso de bases de datos en el análisis detallado de glucanos para carcinoma hepatocelular y para artritis reumatoide. Sin embargo, debería entenderse que la presente invención no se limita a los mismos.
La invención se ilustra además mediante, aunque de ningún modo limitada a, los siguientes ejemplos.
Ejemplo 1 Carcinoma hepatocelular en pacientes infectados con el virus de la hepatitis C
Se compararon los perfiles de glucosilación de glucanos liberados de suero completo de controles y pacientes infectados con virus de la hepatitis C (HCV) con carcinoma hepatocelular para detectar un marcador de glucosilación potencial que diferencie los dos grupos. Se analizaron muestras de suero de control sano de dos individuos y una muestra combinada. Se construyó una base de datos específica que contenía perfiles de glucanos en suero por NP-HPLC para glucanos tanto sialilados como neutros y se identificaron 38 glucanos (Figura 4, Tabla 2). El mismo procedimiento se aplicó a sueros de pacientes y el marcador de glucosilación del carcinoma hepatocelular en pacientes con HCV se identificó por comparación de la base de datos de glucanos liberados de suero completo de pacientes infectados con HCV con la base de datos de glucanos liberados de suero completo de controles sanos.
TABLA 2 Estructuras de glucanos identificadas en suero de control sano. Los números de picos se corresponden con los números de picos de la Figura 4
Abreviaturas usadas: M5-9: GlcNAc_{2}Man_{x}, donde x es el número de manosas; Ax: número de antenas, es decir, A2 es biantenario; Gx: número de galactosas, [3] y [6] indica a qué ramificación (unido a 3 ó 6) de la galactosa está unido; Sx: el número de ácidos siálicos; B: un GlcNAc de bisección; Fc: fucosa de núcleo \alpha1-6. Por ejemplo, el pico 5 con una GU de 6,17 es Man5, que también puede escribirse como GlcNAc_{2}Man_{5}; el pico 33 es Man9, que también puede escribirse como GlcNAc_{2}Man_{9}
3
Se obtuvieron muestras de suero de pacientes infectados con HCV con carcinoma hepatocelular a partir de pacientes infectados con HCV con fibrosis/cirrosis moderada o grave. Se obtuvieron muestras de suero de control sano como material clínico desechado de individuos que se estaban sometiendo a un examen médico de rutina.
Las glucoproteínas en muestras de suero reducidas y desnaturalizadas se unieron a una membrana de PVDF hidrófoba en una placa de 96 pocillos (Multiscreen_IP, membranas de fluoruro de polivinilideno (PVDF) de alta unión a proteína hidrófobas de 0,45 \mum, Millipore, Bedford, MA, Estados Unidos) por filtración simple. Después, las muestras se lavaron para eliminar los contaminantes, se incubaron con PNGasaF para liberar los glucanos basándose en los métodos descritos en Papac, D. I., et. al. Glycobiology 8: 445-54, 1998, y en Callewaert, N., et. al. Electrophoresis 25: 3128-31, 2004. Después, los N-glucanos se retiraron por lavado de la proteína unida, se recogieron y se secaron, listos para el marcaje fluorescente.
Se marcaron los glucanos liberados con marcador fluorescente 2-aminobenzamida (2-AB) con o sin un kit comercial (de, por ejemplo, Ludger Ltd, Oxford, Reino Unido) como se describe en Bigge, J. C, Patel, T. P., Bruce, J. A., Goulding, P. N., Charles, S. M., y Parekh, R. B. (1995). Nonselective and efficient fluorescent labeling of glycans using 2-amino benzamide and anthranilic acid. Analytical Biochemistry 230: 229-238, y se procesaron mediante cromatografía líquida de alto rendimiento de fase normal (NP-HPLC) en una columna TSK Amide-80 de 4,6 x 250 mm (Anachem, Luton, Reino Unido) usando un módulo de separación Waters 2695 equipado con un detector de fluorescencia Waters 2475 (Waters, Milford, MA, Estados Unidos), como se describe en Guile, G. R, Rudd, P. M., Wing, D. R., Prime, S. B., y Dwek, R. A. (1996). A rapid high-resolution high-performance liquid chromatographic method for separating glycan mixtures and analyzing oligosaccharide profiles. Analytical Biochemistry 240: 210-226. Antes del análisis por NP-HPLC, los glucanos se digirieron de forma secuencial con una serie de exoglucosidasas.
La Figura 5 presenta perfiles de NP-HPLC de glucanos liberados de la muestra de control Con_9 y de la muestra de paciente infectado con HCV con carcinoma hepatocelular HCV_42. En la Figura 5, el panel (A) se corresponde con perfiles de glucosilación de glucanos en suero completo no expuestos a ninguna digestión con exoglucosidasa, el panel (B) a perfiles de glucosilación después de la digestión con una serie de \alpha2-3,6,8-sialidasa, \beta1-4 galactosidasa y \beta-N-acetilglucosaminidasa. El panel (C) de la figura 5 demuestra que el marcador que se correlacionaba con el diagnóstico de carcinoma hepatocelular en pacientes con HCV es el porcentaje de glucanos fucosilados de núcleo medido después de la digestión con \alpha2-3,6,8-sialidasa, \beta1-4 galactosidasa y \beta-N-acetilglucosaminidasa. Los sueros de control sanos contienen entre el 15 y el 17% de estos glucanos, mientras que los sueros de pacientes infectados con HCV con carcinoma hepatocelular contenían más del 19% de estos glucanos. La correlación también se observó entre la fase de la enfermedad y el porcentaje de glucanos fucosilados de núcleo medido después de la digestión con \alpha2-3,6,8-sialidasa, \beta1-4 galactosidasa y \beta-N-acetilglucosaminidasa. Los pacientes infectados con HCV en fase moderada de carcinoma hepatocelular tenían el porcentaje de glucanos fucosilados de núcleo medido después de digestión con \alpha2-3,6,8-sialidasa, \beta1-4 galactosidasa y \beta-N-acetilglucosaminidasa del 20-22%, mientras que los pacientes en fases graves de enfermedad, tales como fibrosis/cirrosis grave, tenían este marcador de glucano por encima del 25% de media.
Conclusión: se identificó un marcador de glucosilación de carcinoma hepatocelular en pacientes con HCV por comparación de los perfiles de glucosilación de glucanos liberados de suero completo de pacientes con HCV con carcinoma hepatocelular y de glucanos liberados de suero completo de controles sanos. El marcador de glucosilación de carcinoma hepatocelular en pacientes con HCV es el porcentaje de glucanos fucosilados de núcleo medido después de la digestión con \alpha2-3,6,8-sialidasa, \beta1-4 galactosidasa y B-N-acetilglucosaminidasa. El marcador se correlaciona con el diagnóstico de enfermedad y la gravedad de la enfermedad. La digestión de los glucanos con exoglucosidasas amplifica/segrega el marcador de glucosilación de carcinoma hepatocelular en pacientes con HCV.
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Ejemplo 2 Artritis Reumatoide
La medición de la relación G0/triple-G1 directamente a partir de glucanos sin digerir liberados de suero completo se comparó con la medición "clásica" de la cantidad de glucanos G0 como porcentaje de los glucanos totales liberados a partir de IgG purificada después de la digestión con sialidasa y fucosidasa. Se ha demostrado que el G0 liberado de IgG purificada es un marcador específico de enfermedad (RA) que se correlaciona con la progresión de la enfermedad y que puede usarse como un indicador de pronóstico de la enfermedad, véase, por ejemplo, la patente de Estados Unidos Nº 4.659.659 "Diagnostic Method for Diseases Having an Arthritic Component" para Dwek et. al, expedida el 21 de abril de 1987; Parekh et al., véase "Association of Rheumatoid Arthritis and Primary Osteoarthritis with Changes in the Glycosylation Pattern of Total Serum IgG, "Nature, 316, págs. 452-457, 1985; y Parekh et. al. "Galactosylation of IgG Associated Oligosaccharides Is Reduced in Patients with Adult and Juvenile Onset Rheumatoid Arthritis and Is Related to Disease Activity", Lancet, Nº 8592, vol. 1, págs. 966-969, 1988. Este estudio se usó para demostrar que puede usarse una medición directa de los glucanos liberados de suero completo como marcador para artritis reumatoide sin purificación de IgG por correlación de la relación de G0/triple-G1 a partir de glucanos sin digerir liberados de suero completo con la cantidad de glucanos G0 como porcentaje de los glucanos totales liberados de IgG purificada.
Selección de muestra de paciente
Se combinó suero de paciente de control de material clínico desechado de individuos que se estaban sometiendo a un examen médico de empleados de rutina. Se seleccionaron los pacientes con RA basándose en una combinación de puntuación de actividad global del médico, seropositividad a factor reumatoide y recuento articular activo.
Purificación de IgG
Se aisló IgG de suero completo por cromatografía de afinidad empleando proteína G-Sepharose como se describe en "Antibodies: A laboratory manual", Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, 1988, y P.L. Ey et. al. "Isolation of pure IgG1, IgG2a and IgG2b immunoglobulins from mouse serum using protein A-Sepharose", Molecular Immunology, vol. 15, págs. 429, 1978. En resumen, se diluyeron 100 \mul de suero completo con 300 \mul de Tris 100 mM pH 8,0 y se dejó que pasaran sobre una columna de 1 ml de perlas de proteína G-Sepharose (Amersham Biosciences). Se lavó el material unido con 15 volúmenes de columna de Tris 100 mM pH 8,0. La IgG se eluyó usando tampón de glicina 100 mM a pH 2,6 directamente en 1/10 volumen de Tris 1 M pH 8,0 y se recogió en fracciones de 1 ml. Se determinó el contenido de proteína de las fracciones eluidas mediante absorbancia a 280 nm (UV) (espectrofotómetro Beckman Coulter Modelo DU640). Las fracciones eluidas que contenían proteína se combinaron y se dializaron en solución salina tamponada con fosfato. Se confirmó la presencia de IgG en las fracciones eluidas mediante electroforesis en gel de poliacrilamida al 10% (PAGE) en condiciones reductoras (como se describe, por ejemplo, en Laemmli, "Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4", Nature: 227, 680-685, 1970) y mediante transferencia de Western (Current Protocols in Immunology. John Wiley and Sons, 1994) utilizando IgG de burro anti-humana conjugada con peroxidasa de rábano picante (Jackson Immunochemicals) y se visualizaron con Western Lightning Chemiluminescence Reagent Plus (Perkin Elmer). Se confirmó la reducción cuantitativa de IgG en suero en el material de flujo a través de la columna mediante análisis de transferencia de Western.
Liberación de glucanos
Se liberaron los glucanos de la IgG purificada procesando la muestra reducida y alquilada sobre una electroforesis en gel de poliacrilamida con dodecil sulfato sódico (SDS-PAGE), cortando la cadena pesada y digiriéndola con péptido N-glucosidasa F (PNOasaF) como se describe en Küster, B., Wheeler, S. F., Hunter, A. P., Dwek, R. A., y Harvey, D. J. (1997). Sequencing of N-linked oligosaccharides directly from protein gels: in-gel deglycosilation followed by matrix-assisted lasser desorption/ionization mass spectometry and normal-phase high-performance liquid chromatography. Analytical Biochemistry 250: 82-101. Se liberaron los glucanos con PNGasaF a partir de 5 \mul de sueros completos después de la unión del suero reducido y alquilado a membranas de fluoruro de polivinilideno (PVDF) de alta unión a proteína hidrófobas de 0,45 \mum MultiScreen_IP en un formato de placa de 96 pocillos (Millipore, Bedford, MA, Estado Unidos). Se marcaron los glucanos liberados con marcador fluorescente 2AB (Ludger Ltd, Oxford, Reino Unido) como se describe en Bigge, J. C., Patel, T. P., Bruce, J. A., Goulding, P. N., Charles, S. M., y Parekh, R. B. (1995). Nonselective and efficient fluorescent labeling of glycans using 2-amino benzamide and anthranilic acid. Analytical Biochemistry 230: 229-238, y se procesaron mediante cromatografía líquida de alto rendimiento de fase normal (NP-HPLC) en una columna TSK Amide-80 de 4,6 x 250 mm (Anachem, Luton, Reino Unido) usando un módulo de separación Waters 2695 equipado con un detector de fluorescencia Waters 2475 (Waters, Milford, MA, Estados Unidos) como se describe en Guile, G. R, Rudd, P. M., Wing, D. R, Prime, S. B., y Dwek, R. A. (1996). A rapid high-resolution high-performance liquid chromatographic method for separating glycan mixtures and analyzing oligosaccharide profiles. Analytical Biochemistry 240: 210-226. También se digirieron los glucanos de cadena pesada de IgG marcados con 2AB purificados con sialidasa y fucosidasa para reducir todas las estructuras a G0, G1 o G2 +/- bisección, después se procesaron una NP-HPLC. [G_{0} significa sin galactosa; G1 una galactosa; y G2 dos galactosas, todas en N-glucanos complejos biantenarios].
Análisis estadístico
Todos los datos para proporciones de glucanos se enumeran en la Tabla 3. Los paneles superior izquierdo, inferior izquierdo y superior derecho de la figura 9 son representaciones que muestran correlaciones entre estos datos. Los valores de R^{2} se obtuvieron por análisis de regresión lineal usando Microsoft Excel.
Resultados experimentales
La figura 6 muestra perfiles de SDS-PAGE NP-HPLC de las muestras GBRA13 y GBRA1. En particular, los recuadros (a) y (b) de la figura 6 proporcionan fotografías de gel de SDS-PAGE de las IgG purificadas de las muestras respectivas separadas en bandas de cadena pesada (H) y ligera (L). Los recuadros (c) y (d) de la figura 6 proporcionan perfiles de NP-HPLC para glucanos de cadena pesada y ligera liberados de las bandas de gel que se muestran en (a) y (b) y no sometidos a digestión con sialidasa y fucosidasa. Puesto que no se detectaron glucanos en la cadena ligera, sólo era necesaria la cadena pesada para análisis.
La figura 7 ilustra los detalles de (a) la medición de la relación G0/triple-G1 directamente a partir de glucanos sin digerir liberados de IgG purificada y (b) la medición "clásica" de la relación de glucanos G0 respecto a los glucanos totales liberados de IgG purificada y digerida con sialidasa y fucosidasa. En particular, la figura 7 muestra perfiles de NP-HPLC de la muestra GBRA15. Cada pico se corresponde con ciertos glucanos. Los picos en cada perfil se integran para dar el área bajo la curva para cada pico. En la medición de la relación de G0/triple-G1 el área bajo los picos correspondiente a los glucanos G0 (bloque izquierdo del recuadro (a) de la figura 7) se divide por el área bajo el triplete de picos correspondientes a los glucanos G1 (bloque derecho del recuadro (a) de la figura 7). Como la gran mayoría de los glucanos que se encuentran en estos experimentos eran fucosilados de núcleo, sólo los glucanos fucosilados de núcleo se incluyeron en estas mediciones, es decir, la relación G0/triple-G1 es realmente el área de picos de FcA2G0 dividida por el área de picos de FcA2G1[6] + FcA2G1[3] + FcA2BG1[6] + FcA2BG1 [3] (que se eluye como un triplete).
En la medición "clásica", el área bajo los picos correspondiente a los picos G0 se divide por el área total bajo todos los picos en el perfil y se expresa como porcentaje.
La figura 8 ilustra los perfiles de NP-HPLC de una muestra de control y de la muestra GBRA15. Particularmente, los recuadros (a) y (d) muestran los glucanos liberados de sueros completos de las muestras respectivas, los recuadros (b) y (e) muestran glucanos de cadena pesada sin digerir liberados de las IgG purificadas respectivas, los recuadros (c) y (f) muestran glucanos de cadena pesada liberados de las IgG purificadas respectivas y digeridos con sialidasa y fucosidasa.
La Tabla 3 enumera las relaciones de los picos G0 respecto a triple-G1 de suero completo e IgG purificada a partir de las mismas muestras de suero de 15 pacientes con RA y un control combinado. La medición "clásica" de la cantidad de glucanos G0 como porcentaje de los glucanos totales (G0 + G1 + G2) de IgG purificada se muestra también. Comparando los resultados de las dos mediciones diferentes tomadas a partir de IgG purificada, se encuentra una alta correlación (R^{2 }= 0,9649) que indica que la relación de G0/triple-G1 es tan buena medición como la medición "clásica" del porcentaje de glucanos G0 en la combinación de glucanos total (Figura 9, panel superior izquierdo). La comparación de la relación de G0/triple-G1 entre glucanos de IgG purificada y suero completo proporciona una correlación de R^{2} = 0,8785 (Figura 9, panel superior derecho), mientras que la comparación de la relación de G0/triple-G1 de glucanos de suero completo con el porcentaje de glucanos G0 de IgG purificada proporciona una correlación de R^{2} = 0,8174 (Figura 9, panel inferior izquierdo). La Figura 9, panel inferior derecho es un histograma que muestra las relaciones de G0/triple-G1 para todas las muestras de suero e IgG.
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TABLA 3
4
5
Conclusión
Se ha demostrado el uso del formato en placa de 96 pocillos de membrana de PVDF de alto rendimiento, usándose solamente 5 \mul de suero completo para obtener glucanos para una medición directa de la relación de G0/triple-G1 en lugar del procedimiento más prolongado de la medición del porcentaje de glucanos G0 en los glucanos liberados a partir de IgG purificada determinado después del tratamiento con exoglucosidasa como un indicador de patología de RA. Por lo tanto, para controlar la patología de AR se pueden reducir eficazmente las horas de trabajo desde la preparación de muestras hasta los resultados usando el método de membrana de PVDF con suero completo así como reduciendo la cantidad de material (suero) usado.
Aunque lo anterior se refiere a realizaciones preferidas particulares se entenderá que la presente invención no está tan limitada. Los expertos en la materia se encontrarán con que pueden realizarse diversas modificaciones en las realizaciones descritas y que dichas modificaciones pretenden incluirse en la presente invención.

Claims (18)

1. Un método in vitro para determinar uno o más marcadores de glucosilación de una enfermedad que comprende las etapas de:
-
proporcionar una muestra de enfermo y una muestra de control, donde la muestra de enfermo es una muestra de un sujeto al que se le ha diagnosticado la enfermedad y la muestra de control es una muestra de un control sano;
-
inmovilizar las glucoproteínas totales de la muestra de enfermo y de la muestra de control sobre una membrana de unión a proteínas o en un gel sin separar el gel en bandas;
-
liberar una combinación de glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas de la muestra de enfermo y liberar una combinación de glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas de la muestra de control del gel o la membrana de unión a proteínas sin haber purificado una glucoproteína específica y sin exponer la muestra de enfermo y la muestra de control a hidrazinolisis;
-
medir un perfil de glucosilación de la combinación de glucanos de la muestra de enfermo y medir un perfil de glucosilación de la combinación de glucanos de la muestra de control usando cromatografía, espectrometría de masas o una combinación de las mismas; y
-
comparar el perfil de glucosilación de la muestra de enfermo con el perfil de glucosilación de la muestra de control para determinar uno o más marcadores de glucosilación de la enfermedad.
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2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la muestra es una muestra de un fluido corporal o un tejido corporal.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el fluido corporal es suero completo.
4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los glucanos son glucanos unidos a N.
5. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los glucanos son glucanos unidos a O.
6. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el método incluye una etapa adicional de marcaje de los glucanos de la combinación de glucanos con un marcador radiactivo fluorescente antes de medir el perfil de glucosilación.
7. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende además seleccionar un mejor marcador de glucosilación de entre los marcadores de glucosilación, donde el mejor marcador de glucosilación tiene una mayor correlación con uno o más parámetros de la enfermedad.
8. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende además una etapa de segregar y/o amplificar el uno o más marcadores de glucosilación por digestión de los glucanos con una o más exoglucosidasas.
9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que dicha digestión se realiza de forma secuencial.
10. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que dicha digestión es una digestión con una serie que comprende la una o más exoglucosidasas.
11. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende además el uso de una base de datos para realizar asignaciones preliminares y finales de estructuras de los glucanos.
12. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende además el uso de uno o más marcadores de glucosilación de la enfermedad para diagnosticar, pronosticar y/o controlar la enfermedad.
13. Un método in vitro para diagnosticar y controlar una enfermedad en un sujeto que comprende las etapas de:
-
proporcionar una muestra de fluido corporal o un tejido corporal del sujeto;
-
inmovilizar las glucoproteínas totales de la muestra sobre una membrana de unión a proteínas o en un gel sin separar el gel en bandas;
\newpage
-
liberar una combinación de glucanos de las glucoproteínas totales inmovilizadas de la muestra del gel o la membrana de unión a proteínas sin haber purificado una glucoproteína específica y sin exponer la muestra a hidrazinolisis;
-
medir un perfil de glucosilación de la combinación de glucanos; y
-
determinar un estado clínico del sujeto a partir de uno o más marcadores de glucosilación de la enfermedad en el perfil de glucosilación.
14. Un método de acuerdo con la reivindicación 13, en el que la enfermedad es cáncer, una enfermedad autoinmune o un trastorno congénito de la glucosilación.
15. Un método de acuerdo con la reivindicación 14, en el que la enfermedad autoinmune es artritis reumatoide.
16. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, en el que el fluido corporal es suero completo.
17. Un método de acuerdo con la reivindicación 16, cuando depende de la reivindicación 15, en el que el marcador de glucosilación es una relación entre glucanos G0 y glucanos triple-G1.
18. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, que comprende además una etapa de segregar y/o amplificar el uno o más marcadores de glucosilación por digestión de los glucanos con una o más exoglucosidasas.
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