Neue Technologie identifiziert COVID-19-Biomarker in kürzester Zeit

Berlin, 25.03.2021 Schneller und günstiger als ein gewöhnliches Blutbild: Forschende der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des Francis Crick Institute haben die Technologie der Massenspektrometrie so weiterentwickelt, dass sich Tausende von Proteinen in einer Probe innerhalb weniger Minuten vermessen lassen. Das Potenzial der Technik demonstriert das Forschungsteam anhand der Analyse des Blutplasmas von COVID-19-Betroffenen: Mit der neuen Technologie identifizierte es elf bisher unbekannte Proteine, die den Schweregrad der Erkrankung anzeigen. Die Studie ist im Fachmagazin Nature Biotechnology* veröffentlicht.

Zu jedem Zeitpunkt sind im menschlichen Körper Tausende verschiedener Proteine aktiv: Sie geben ihm seine Struktur und ermöglichen lebenswichtige Reaktionen. Auch wenn der Körper auf äußere Einwirkungen wie Erreger oder Medikamente reagiert, steigert oder senkt er die Aktivität unterschiedlicher Proteine. Das detaillierte Muster von Proteinen in Zellen, Geweben oder Blutproben – das sogenannte Proteom – kann Forschenden deshalb dabei helfen, Erkrankungen besser zu verstehen oder Aussagen über Diagnosen und Krankheitsverläufe zu machen. Um einen solchen „Protein-Fingerabdruck“ zu erhalten, nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Massenspektrometrie, die bisher jedoch sehr zeit- und kostenintensiv ist. Abhilfe verspricht jetzt die neue massenspektrometrische Technologie „Scanning SWATH“: Entwickelt von einem Team um Prof. Dr. Markus Ralser, Direktor des Instituts für Biochemie der Charité, ist sie wesentlich schneller und kostengünstiger als frühere Methoden und erlaubt die Messung von mehreren Hundert Proben pro Tag.

„Um die Technologie zu beschleunigen, haben wir die elektrischen Felder im Massenspektrometer verändert. Das erzeugt äußerst komplexe Daten, die ein Mensch nicht mehr analysieren kann“, erklärt Prof. Ralser, der auch Einstein-Professor und Gruppenleiter am Francis Crick Institute in London ist. „Deshalb haben wir Computeralgorithmen entwickelt, die auf neuronalen Netzwerken basieren und aus den Daten die nötige biologische Information extrahieren. Das erlaubt uns, Tausende Proteine parallel zu bestimmen, und reduziert die Messzeit um ein Vielfaches. Erfreulicherweise ist die Methode darüber hinaus auch genauer.“ 

Die Anwendungsmöglichkeiten für diese Hochdurchsatz-Technologie sind vielfältig: Von der Grundlagenforschung über die groß angelegte Suche nach wirksamen Arzneimitteln bis zur Identifizierung von biologischen Merkmalen (Biomarkern), die sich für die Einschätzung des individuellen Risikos von Patientinnen und Patienten nutzen lassen. Dass sich die Technik für Letzteres eignet, zeigte die Forschungsgruppe in ihrer Studie am Beispiel von COVID-19. Dazu analysierte das Team das Blutplasma von 30 Patientinnen und Patienten mit unterschiedlich stark ausgeprägten COVID-19-Symptomen, die an der Charité stationär behandelt wurden, und verglich die Proteinmuster mit dem von 15 gesunden Personen. Die Messung einer einzelnen Probe dauerte dabei nur wenige Minuten.

Auf diese Weise identifizierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler insgesamt 54 Proteine, deren Konzentration im Blut abhängig vom Schweregrad der COVID-19-Erkrankung erhöht oder verringert war. 43 davon waren in früheren Studien bereits mit der Schwere der Erkrankung in Verbindung gebracht worden; für elf der Proteine war dieser Zusammenhang jedoch bisher nicht bekannt gewesen. Mehrere dieser bisher unbekannten Proteine sind Teil der Reaktion des Immunsystems auf Erreger, die auch die Gerinnungsneigung erhöht. „Wir haben mit unserer neuen Methode also in kürzester Zeit Protein-Fingerabdrücke in Blutproben entdeckt, anhand derer wir jetzt COVID-19-Betroffene entsprechend der Schwere ihrer Erkrankung einteilen können“, sagt Dr. Christoph Messner, einer der Erstautoren der Studie und Wissenschaftler am Institut für Biochemie der Charité sowie am Francis Crick Institute. „Eine solche objektive Einschätzung kann sehr wertvoll sein, da die Patientinnen und Patienten ihren Gesundheitszustand zum Teil überschätzen. Um eine massenspektrometrische Analyse aber standardmäßig für die Klassifizierung von COVID-19-Betroffenen nutzen zu können, muss die Technik zu einem diagnostischen Test weiterentwickelt werden. In Zukunft könnte es darüber hinaus möglich sein, mit einer schnellen Analyse des Proteinmusters auch Aussagen über den voraussichtlichen Verlauf von COVID-19 zu treffen. Hierzu haben wir bereits erste vielversprechende Ergebnisse gesammelt, bis zu einem routinemäßigen Einsatz sind aber noch weitere Studien nötig.“

Prof. Ralser ist überzeugt, dass die massenspektrometrische Untersuchung des Blutes in Zukunft das klassische Blutbild ergänzen könnte: „Das Proteom zu bestimmen, kostet jetzt weniger als ein großes Blutbild. Durch die Bestimmung vieler Tausend Proteine gleichzeitig liefert eine Proteom-Analyse zusätzlich viel mehr Informationen. Ich sehe in einer flächendeckenden Anwendung deshalb großes Potenzial, beispielsweise für die frühzeitige Erkennung von Krankheiten. In unseren Studien werden wir daher weiter auf einen solchen Einsatz der Proteom-Technologie hinarbeiten.“

*Messner CB et al. Ultra-fast proteomics with Scanning SWATH. Nat Biotech 2021. doi: 10.1038/s41587-021-00860-4

Zur Studie
Die Arbeit ist in Zusammenarbeit mit der University of Cambridge in Großbritannien, der Chalmers University of Technology in Schweden, dem Bernhardt-Nocht-Institut für Tropenmedizin in Hamburg sowie der Firma SCIEX, einem kanadischen Hersteller von Massenspektrometern, entstanden.

Massenspektrometrie
Die Massenspektrometrie ist ein technisches Verfahren zur Analyse der Masse von Molekülen und Atomen. Die zu untersuchende Substanz wird dabei in eine Gasphase überführt und anschließend ionisiert. Die entstandenen Ionen werden mithilfe eines elektrischen Feldes stark beschleunigt und in der Analyseeinheit des Massenspektrometers nach dem Verhältnis ihrer Masse zu ihrer Ladung sortiert. Das Massenspektrum einer Substanz gibt Aufschluss über ihre molekulare Zusammensetzung. Daher eignet sich die Massenspektrometrie zur Identifizierung, Charakterisierung und Quantifizierung einer Vielzahl von Biomolekülen, wie Proteinen, Metaboliten, Zuckern und Fetten, die sich je nach Krankheitsbild und Individuum anders verhalten.

Studienplattform zur Erforschung von COVID-19 an der Charité
Basis für die Generierung der jetzt veröffentlichten Daten war die Studienplattform Pa-COVID-19. Pa-COVID-19 ist die zentrale longitudinale Registerstudie für COVID-19-Patientinnen und -Patienten an der Charité. Sie zielt darauf ab, COVID-19-Betroffene klinisch sowie molekular schnell und umfassend zu untersuchen, um individuelle Risikofaktoren für schwere Verlaufsformen sowie prognostische Biomarker und Therapieansätze zu identifizieren. Das Protokoll zur Studie ist hier veröffentlicht.