Op basis van bloedonderzoek is het mogelijk zeldzame genetische ziekten op te sporen, kanker te herkennen of het ontstekingsniveau in het lichaam te bepalen. Bovendien worden er, als gevolg van de snelle ontwikkeling van medische diagnostiek op basis van biovloeistofanalyse, wereldwijd veel inspanningen geleverd om medische benaderingen aan te passen, waardoor gepersonaliseerde geneeskunde het paradigma van de toekomstige gezondheidszorg wordt.

In deze richting presenteerden wetenschappers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) hun onderzoek naar unieke peptiden voor gebruik in nieuwe sensoren voor de snelle en eenvoudige detectie van vele ziekten.

Ontsteking is het natuurlijke afweermechanisme van het lichaam tegen ziekteverwekkers of schadelijke chemicaliën die acute symptomen veroorzaken zoals pijn, zwelling, roodheid of blauwe plekken. Dit mechanisme omvat de intense productie door het lichaam van specifieke moleculen, zoals cytokines, die worden gebruikt tegen infecties, en ontstekingen kunnen gemakkelijk worden gediagnosticeerd met dergelijke symptomen.

Sommige ontstekingsreacties zijn echter niet zichtbaar en kunnen veel langer duren dan een plotselinge infectie. Als ontstekingscellen lange tijd aanwezig blijven, kan er een chronische ontsteking ontstaan. Chronische ontstekingen kunnen duiden op een verscheidenheid aan gezondheidsproblemen, waaronder auto-immuunziekten en kankers, die moeilijk te overwinnen zijn.

Het detecteren van het ontstekingsproces in het lichaam kan eenvoudig vanuit het bloed worden gedaan, terwijl het monitoren van het ontstekingsverloop een heel ander verhaal is. Meestal wordt het infectiepercentage geëvalueerd door te focussen op het niveau van C-reactief proteïne dat bekend staat als CRP, een veel voorkomende biomarker die vroeg opkomt voor verschillende ontstekingsaandoeningen in het lichaam.

De verschijning ervan in plasma is gebaseerd op de reactie van het lichaam op het verhoogde cytokineniveau tijdens ontsteking wanneer de lever CRP produceert. Het niveau ervan kan ook de oorzaak van ontstekingen onderscheiden; De stijging van het CRP-niveau kan bijvoorbeeld verband houden met virale infecties, terwijl een zeer hoog CRP-niveau kenmerkend is voor bacteriële infecties.

De bloedspiegels van dit ringvormige molecuul veranderen snel en duidelijk bij elke ontstekingsverdediging, niet alleen tegen infecties, maar ook als reactie op weefselschade die ook ontstekingen in alle soorten weefsels veroorzaakt. Tot nu toe kan het monitoren van CRP-niveaus waardevolle en nauwkeurige informatie opleveren over de ziekteprogressie.

Op dit gebied bestudeerde een onderzoeker van de IPC PAS, Dr. Katarzyna Szot-Karpińska, de eiwit-peptide-interacties, vooral tussen CRP en CRP-bindende materialen. Ze concentreerde zich op peptiden vanwege hun hogere stabiliteit onder zware omstandigheden tegen afbraak, lagere kosten en de mogelijkheid van efficiënter gebruik in biomedische sensoren dan antilichamen, de meest voorkomende CRP-receptoren.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Analytical Chemistry gebruikten de onderzoekers een faagdisplaymethode om CRP-bindende fagen te identificeren. Door dergelijke fagen te identificeren, kan de sequentie van peptiden worden bepaald die op het oppervlak van de fagen zijn blootgesteld met een hoge affiniteit voor CRP.

Een belangrijke drijvende kracht achter het onderzoek was de kwestie van het monitoren van ontstekingen op de lange termijn met behulp van een elektrochemisch platform dat is aangepast met stabiele moleculen als alternatief voor antilichamen. De geselecteerde peptiden werden gesynthetiseerd en volledig gekarakteriseerd, en hun interacties met CRP werden bestudeerd, resulterend in de identificatie van de drie meest veelbelovende van fagen afgeleide CRP-bindende moleculen.

Het peptide met de hoogste affiniteit voor CRP werd op elektroden geïmmobiliseerd voor later gebruik als elektrochemische CRP-sensor. Biologische en fysisch-chemische technieken werden gebruikt om de mechanismen van eiwit-peptide- en eiwit-peptide-interacties te begrijpen.

Dr. Katarzyna Szot-Karpińska, een wetenschapper die aan dit project werkt, zei:“In onze onderzoeken hebben we voor het eerst aangetoond dat een enkel 12-meer peptide, geïdentificeerd uit een faagbibliotheek, is gebruikt voor CRP-herkenning. werden gekarakteriseerd en hun interacties met CRP werden bestudeerd voor toepassing in een sensorplatform dat de nieuwe benadering van de ontwikkeling van biomedische sensoren laat zien."

De resultaten waren verrassend en lieten een nieuw veld voor elektrochemisch onderzoek zien. Het nieuwe materiaal op de elektrode vertoonde een tot twee ordes van grootte hogere affiniteit voor CRP dan de antilichamen die bij ELISA werden gebruikt. Bovendien was de detectie-efficiëntie veelbelovend voor het geselecteerde peptide, zelfs in de aanwezigheid van drie interfererende eiwitten. Bovendien waren er geen extra chemicaliën nodig, waardoor de detectie milieuvriendelijker is dan met klassieke technieken.

Bovendien werden de theoretische simulaties, inclusief computationele modelleringsanalyses uitgevoerd in samenwerking met prof. Sławomir Filipek van de Universiteit van Warschau, geïmplementeerd als aanvulling op de biologische en fysisch-chemische studies en leverden opzienbarende resultaten op.

In silico-studies werden de bijzonderheden van de binding van bepaalde peptiden aan CRP uitgelegd. De resultaten laten zien welk peptide uit een lijst met opties de beste CRP-binder is en bevestigen het experimentele onderzoek. Tot nu toe heeft de combinatie van experimentele en theoretische studies het screeningproces geoptimaliseerd, waardoor het onderzoek werd versneld.

"De toegevoegde waarde van dit werk is de integratie van experimentele methoden met computationele modelleringsanalyse. De modellering van bekende aminozuursequenties van peptiden bevestigt dat het P3-peptide het beste bindmiddel voor CRP is. Een dergelijke gecombineerde aanpak is niet eerder gerapporteerd en demonstreert hoe numerieke methoden/in silico-analyse arbeidsintensieve experimentele technieken kunnen vervangen of verbeteren."

"Het gebruik van moleculaire docking om de beste bindmiddelen te identificeren elimineert de toepassing van chemicaliën, wat essentieel is voor de ontwikkeling van een groenere chemie. Deze studie valideert de numerieke benadering voor het identificeren van peptidebindende eigenschappen en vertegenwoordigt een belangrijke stap op weg naar op peptiden gebaseerde sensoren. Bovendien, Als we weten hoe het koppelen werkt, kunnen we in de toekomst de sequentie van het peptide aanpassen door bijvoorbeeld een van de aminozuren te veranderen om zo het best bindende molecuul voor het bestudeerde doelwit te verkrijgen, zoals biomarkers voor ziekten”, zegt Dr. Szot Karpińska

Een dergelijke computationele benadering van CRP-detectie met behulp van peptiden is nog nooit eerder beschreven en illustreert een nieuwe trend in onderzoek waarin berekeningen lastige experimentele technieken kunnen ondersteunen.

De voorgestelde methode maakt monitoring van het ontstekingsverloop mogelijk, waardoor het CRP-niveau selectief en gevoelig kan worden gecontroleerd met behulp van veel kleinere en stabielere moleculen dan momenteel worden gebruikt. Dit werk zou niet mogelijk zijn zonder gebruik te maken van veel verschillende methoden en technieken uit verschillende vakgebieden, wat de diepe behoefte aan interdisciplinariteit in de wetenschap bewijst, vooral op het gebied van de gezondheidsbescherming.

Het toont het belang aan van het combineren van experimentele studies met een diepgaande studie van intermoleculaire interacties. Het beschreven onderzoek kan een game-changer zijn in de diagnostiek en behandeling van ontstekingen, vooral in het geval van langdurige ontstekingscursussen of zelfs nieuwe lab-on-the-chip-apparaten voor gepersonaliseerde geneeskunde, medicijnontwikkeling en medicijnafgifte. Het team is op zoek naar nieuwe receptoren voor ziektemarkers en nieuwe oplossingen voor het bestuderen van moleculaire interacties.

Meer informatie: Katarzyna Szot-Karpińska et al, Onderzoek naar peptiden voor moleculaire herkenning van C-reactief eiwit – theoretische en experimentele studies, Analytische chemie (2023). DOI:10.1021/acs.analchem.3c03127

Journaalinformatie: Analytische chemie

Aangeboden door de Poolse Academie van Wetenschappen