Using high throughput proteomics to analyze human body fluids for biomarkers of disease
Creators: name: Ahmed, Saima
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::572 Biochemie
subject: proteomics
subject: biomarkers
subject: urine
subject: BPD
subject: plasma
subject: oral secretion

description: Recent evolution of mass spectrometry-based proteomic technologies from slow laborious bench work to automated sample processing coupled with today’s technologically advanced high-throughput mass spectrometers has shifted the paradigm of proteomic utility in biomedical applications. Proteomics has shown the capability of exploiting minute, microliter amounts of human body fluids to characterize the human body fluid proteome and distinguish the pathophysiology of human disease making proteomics increasingly attractive from a clinical perspective. The ability to identify 100s-1000s of proteins from biospecimens in a high-throughput manner allows for better prognosis, stratification, and disease diagnosis. In this context, this thesis demonstrates the comprehensive application of using high throughput proteomics in diverse disease states using human patients ranging from premature infants to adults utilizing microliter amounts of various body fluids for biomarker discovery. Each of the four presented studies has successfully demonstrated the feasibility of using such minute amounts of human body fluids in a high throughput proteomics manner to not only characterize the proteome but have shown consistent disease-associated changes that are also reflected in known scientific literature regarding the specific disease state. My contribution to the field of body fluid proteomics is demonstrated in the following four first author manuscripts of which 3 have been published in international peer-reviewed journals and 1 is under review: 1. The first study involves mapping the plasma proteomes of adult patients with human immunodeficiency virus (HIV) or herpes virus, both groups with involvement of the central nervous system (CNS). The results demonstrated significant viral infection-specific differences in the plasma proteome, differentiating patients with HIV-associated neurocognitive disorders compared to cognitively normal people with HIV. doi:10.1007/s13365-022-01077-0 2. The next study involved mapping cerebral spinal fluid proteomes (CSF) of patients infected with human herpes simplex virus 1 (HSV-1), human herpes simplex virus 2 (HSV-2) or varicella-zoster virus (VZV; also known as human herpesvirus 3) – all groups with involvement of the CNS. Results revealed novel CSF biomarkers and biological processes contributing to the pathophysiology of HSV-associated CNS infection. doi:10.3390/v14122757 3. Our urine proteomics pipeline requiring as little as 50 microliters of non-invasively collected urine was used to monitor critically ill extremely low gestational age neonates with bronchopulmonary dysplasia (BPD). This proof-of-concept urine proteomics study validated proteins, which had previously been identified in invasively collected samples such as blood, broncho-alveolar lavage and/or tracheal aspirates as biomarkers of BPD. doi:10.1159/000520680 4. Lastly, the benefit of using noninvasively collected oral secretions was demonstrated using advanced and automated sample processing with state-of-the-art high-resolution high-throughput mass spectrometer as a powerful combination for identifying BPD specific proteins. Also described is a one-of-a-kind comparison of premature neonate tracheal aspirate and oral secretion. Overall this study highlights the viability of oral secretion as a noninvasive body fluid alternative to both tracheal aspirate and serum for finding clinically useful BPD biomarkers. In Review Journal of Pediatrics. 2023
description: Die jüngsten technologischen Fortschritte im Bereich der Probenvorbereitung und Massenspektrometrie-basierter Proteomik haben zur Entwicklung von automatisierten Hochdurchsatz Analyseverfahren beigetragen und dadurch die Applikationsmöglichkeiten der Proteomik im Bereich der Biomedizin drastisch erweitert. Die neuen Workflows kommen mit nur kleinen Probenmengen aus und sind in der Lage Hunderte bis Tausende Proteine pro Probe zu identifizieren. Die genannten Fortschritte ermöglichen die Analyse von großen Kohorten, um die Pathophysiologie verschiedener Krankheiten zu erforschen und um „Biomarker“ zu identifizieren, die die Diagnostik und die Stratifikation von Patienten erleichtern. In meiner Doktorarbeit demonstriere ich die Anwendung von Hochdurchsatz-Proteomik an verschiedenen Körperflüssigkeitsproben wie Plasma, Urin, Speichel, Trachealaspirate und Zerebrospinalflüssigkeit (CSF) im Kontext verschiedener pädiatrischen und adulten Erkrankungen. Jede der vier vorgestellten Studien zeigt, dass nur wenige Mikroliter Probe ausreichen, um das Proteom der jeweiligen Körperflüssigkeit in ausreichender Tiefe zu analysieren, krankheitsbedingte Veränderungen nachzuweisen und neue und bereits bekannte „Biomarker“ zu identifizieren. Mein Beitrag zur proteomischen Analyse von Körperflüssigkeitsproben wird in den folgenden vier Erstautoren-Manuskripten dargestellt, von denen drei in internationalen Peer-reviewed Zeitschriften veröffentlicht wurden und eines sich derzeit in der Überprüfung befindet: 1) Die erste Studie befasst sich mit der Analyse des Plasma-Proteoms von erwachsener Patienten, die entweder mit dem humaner Immundefizienzvirus (HIV) oder dem Herpesvirus infiziert sind. Bei Patienten beider Gruppen wurde eine Beteiligung des zentralen Nervensystems (ZNS) festgestellt. Die Ergebnisse zeigten signifikante virusbedingte Unterschiede im Plasma-Proteom, wodurch Patienten mit HIV-assoziierten neurokognitiven Störungen von kognitiv normalen Menschen mit HIV unterschieden werden konnten. doi:10.1007/s13365-022-01077-0 2) Die nächste Studie beinhaltete die Untersuchung des Proteoms der Zerebrospinalflüssigkeit (CSF) von Patienten, die entweder mit humanem Herpes-Simplex-Virus 1 (HSV-1), humanem Herpes-Simplex-Virus 2 (HSV-2) oder Varicella-Zoster-Virus (VZV; auch bekannt als humanes Herpesvirus 3) infiziert waren – bei allen Patienten wurde zusätzlich eine Beteiligung des ZNS festgestellt. Die Ergebnisse führten zur Identifikation von neuen CSF-Biomarkern und biologischen Prozessen, die zur Pathophysiologie der HSV-assoziierten ZNS-Infektion beitragen. doi:10.3390/v14122757 3) In meinem dritten Manuskript stelle ich die von mir entwickelte Urin-Proteomik-Pipeline vor, die mit 50 Mikrolitern nicht-invasiv gesammelten Urin auskommt. Der vorgestellte Workflow wurde zur Überwachung von kritisch kranken Frühgeborenen mit bronchopulmonaler Dysplasie (BPD) eingesetzt. Diese Proof-of-Concept-Urin-Proteomikstudie validierte Proteine, die zuvor nur in invasiv gesammelten Proben wie Blut, bronchoalveolärer Lavage und/oder Trachealaspirate als Biomarker für BPD identifiziert worden waren. doi:10.1159/000520680 4) Zuletzt wurde der Nutzen der Verwendung von nicht-invasiv gesammelter Mundsekrete unter Verwendung moderner und automatisierter Probenvorbereitung mit hochauflösender Hochdurchsatz-Massenspektrometrie als leistungsstarke Kombination zur Identifizierung von BPD-spezifischen Proteinen demonstriert. Zusätzlich wurden die Ergebnisse der Analyse von verschiedenen Körperflüssigkeiten wie Trachealaspirat und Mundsekreten von Frühgeborenen miteinander verglichen. Insgesamt hebt diese Studie die Eignung von Mundsekreten als nicht-invasive Alternative zu Trachealaspirat und Serum zur Entdeckung klinisch nützlicher BPD-Biomarker hervor. In Überprüfung, Journal of Pediatric Research, 2023