DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-53966-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39511193
تاريخ النشر: 2024-11-07
المؤلف: Ali Akbar Ashkarran وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات البروتيوميات المتقدمة وتطبيقاتها
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تشكيل أغلفة البروتين على الجسيمات النانوية (NPs) وإمكاناتها في تعزيز تحليل بروتينات البلازما. من خلال إدخال جزيئات صغيرة مثل المستقلبات، والدهون، والفيتامينات، والمواد المغذية إلى البلازما، لاحظ الباحثون تغييرات كبيرة في أنماط أغلفة البروتين على الجسيمات النانوية من البوليمر. أسفرت هذه الطريقة عن اكتشاف 1793 بروتينًا، مما يمثل زيادة بمقدار 8.25 مرة مقارنة بالبلازما وحدها (218 بروتينًا) وزيادة بمقدار 2.63 مرة مقارنة بأغلفة البروتين غير المعالجة (681 بروتينًا). ومن الجدير بالذكر أن إضافة 1000 ميكروغرام/مل من الفوسفاتيديل كولين كانت فعالة بشكل خاص، مما مكن من اكتشاف 897 بروتينًا من خلال استنفاد أربعة من أكثر بروتينات البلازما وفرة، بما في ذلك الألبومين، مما يعزز رؤية البروتينات ذات الوفرة المنخفضة.
باستخدام طريقة تحسين اكتساب البيانات المستقلة، سهلت إضافة الفوسفاتيديل كولين اكتشاف 1436 بروتينًا في عينة بلازما واحدة وكشفت عن 337 شكلًا بروتينيًا إضافيًا مقارنة بأغلفة البروتين غير المعالجة من خلال نهج البروتيوميات من الأعلى إلى الأسفل. أشار تحليل الديناميات الجزيئية إلى أن الفوسفاتيديل كولين يتفاعل مع الألبومين عبر تفاعلات كارهة للماء، وروابط هيدروجينية، وجسور مائية. تعالج هذه المنهجية التحديات المتعلقة بتحديد البروتينات ذات الوفرة المنخفضة في البلازما، والتي غالبًا ما يتم إخفاؤها بواسطة البروتينات ذات الوفرة العالية التي تهيمن على طيف الكتلة. تؤكد النتائج على إمكانات هذه الطريقة في تعزيز اكتشاف العلامات الحيوية والتطبيقات السريرية في مراقبة الأمراض والتشخيص.
طرق
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في تشكيل أغلفة البروتين على الجسيمات النانوية (NPs) في وجود جزيئات صغيرة باستخدام بروتينات بلازما بشرية صحية مجمعة وبلازما من متبرعين فرديين. تم تخفيف البلازما إلى تركيز نهائي قدره 55% باستخدام محلول فوسفات الصوديوم (PBS). تم استخدام سبعة أنواع من الجسيمات النانوية التجارية، بما في ذلك السيليكا وأنواع البوليمر بأحجام 50 نانومتر، 100 نانومتر، و200 نانومتر. تم الحصول على الجزيئات الصغيرة من موردين مختلفين وتم تخفيفها في البلازما إلى تركيزات محددة (10 ميكروغرام/مل، 100 ميكروغرام/مل، و1000 ميكروغرام/مل). تم أيضًا استخدام مواد كيميائية رئيسية لهضم البروتين، بما في ذلك غوانيدينيوم-هيدروكلوريد، DL-ثيوثريتيول (DTT)، يودوأسيتاميد (IAA)، وحمض ثلاثي فلورو الأسيتيك (TFA).
شملت المنهجية حضانة بروتينات البلازما مع الجزيئات الصغيرة لمدة ساعة واحدة عند 37 درجة مئوية قبل إضافة الجسيمات النانوية إلى المزيج، مع الحفاظ على تركيز نهائي للجسيمات النانوية قدره 0.2 ملغ/مل. بعد حضانة ثانية، تم طرد مجمعات البروتين-الجسيمات النانوية لإزالة البروتينات غير المرتبطة، وتم غسل الكريات الناتجة بمحلول PBS بارد. لتحليل تركيزات الفوسفاتيديل كولين (PtdChos)، تم اختبار مستويات مختلفة (250 ميكروغرام/مل، 750 ميكروغرام/مل، 1000 ميكروغرام/مل، و10000 ميكروغرام/مل) باستخدام نفس طريقة تحضير أغلفة البروتين قبل تحليل طيف الكتلة. سمحت هذه الطريقة بإجراء فحص منهجي للتفاعلات بين الجسيمات النانوية، بروتينات البلازما، والجزيئات الصغيرة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة واضحة بين المتغيرات قيد البحث، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. يتم الإبلاغ عن مقاييس محددة، مثل قيم p وفترات الثقة، لدعم صحة النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل أو العلاج المطبق أدى إلى تحسين ملحوظ في النتائج المقاسة مقارنة بمجموعة التحكم. تُستخدم التمثيلات البيانية، مثل الرسوم البيانية أو الجداول، لتوضيح هذه النتائج بشكل فعال، مما يسمح بتفسير بصري للاتجاهات البيانية التي لوحظت طوال الدراسة. بشكل عام، توفر النتائج أدلة مقنعة تدعم الفرضيات المطروحة في بداية البحث.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في تأثير ثمانية جزيئات صغيرة على غلاف البروتين الذي يتشكل حول الجسيمات النانوية من البوليمر عند تعرضها لبلازما بشرية. تضمنت الجزيئات الصغيرة الجلوكوز، والدهون الثلاثية، والدغليسيرول، والفوسفاتيديل كولين (PtdChos)، والفوسفاتيديل إيثانولامين (PE)، والفوسفاتيديل إينوزيتول (PtdIns)، والحمض الأحادي الفوسفات (IMP)، ومجمع فيتامين B. من خلال حضانة هذه الجزيئات الصغيرة مع البلازما ثم إدخال الجسيمات النانوية، لاحظ الباحثون تعزيزًا كبيرًا في عمق تحليل بروتينات البلازما. أظهر التحليل أنه بينما أسفرت البلازما وحدها عن 218 بروتينًا فريدًا، زاد عدد البروتينات في غلاف البروتين الذي تشكّل على الجسيمات النانوية إلى 681، وأدى إضافة الجزيئات الصغيرة إلى توسيع نطاق الكمية إلى ما بين 397 و897 بروتينًا فريدًا، اعتمادًا على الجزيئات الصغيرة المحددة المستخدمة. ومن الجدير بالذكر أن دمج PtdChos بتركيزات عالية أدى إلى زيادة ملحوظة في كمية البروتين، مما يظهر إمكاناته في استنفاد بروتينات البلازما الوفيرة مثل الألبومين، مما يسهل اكتشاف البروتينات ذات الوفرة المنخفضة.
تؤكد النتائج على قدرة الجزيئات الصغيرة على تنويع التركيب البروتيني للغلاف، مما يخلق بصمات بروتينية مميزة يمكن أن تعزز اكتشاف العلامات الحيوية لمختلف الأمراض. كما أبرزت الدراسة أن الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجسيمات النانوية تؤثر على فعالية الجزيئات الصغيرة في تعزيز تغطية البروتينات. من المهم أن يلاحظ المؤلفون أن PtdChos لم يزد فقط من عدد البروتينات المكتشفة، بل أثر أيضًا على النطاق الديناميكي لبروتينات البلازما، مما يسمح بتحليل أكثر شمولاً للبروتينات ذات الوفرة المنخفضة. تشير هذه الأبحاث إلى أن الجزيئات الصغيرة يمكن استخدامها بشكل استراتيجي في البروتيوميات لتحسين تحديد العلامات الحيوية وتعزيز فهم آليات الأمراض، خاصة في الحالات التي تكون فيها ملفات البروتين المحددة حاسمة للتشخيص والعلاج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-53966-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39511193
Publication Date: 2024-11-07
Author(s): Ali Akbar Ashkarran et al.
Primary Topic: Advanced Proteomics Techniques and Applications
Overview
The study investigates the formation of protein coronas on nanoparticles (NPs) and their potential to enhance plasma proteome profiling. By introducing small molecules such as metabolites, lipids, vitamins, and nutrients into plasma, the researchers observed significant alterations in the protein corona patterns on polystyrene NPs. This approach resulted in the detection of 1793 proteins, representing an 8.25-fold increase compared to plasma alone (218 proteins) and a 2.63-fold increase relative to the untreated protein corona (681 proteins). Notably, the addition of 1000 µg/ml phosphatidylcholine was particularly effective, enabling the detection of 897 proteins by selectively depleting the four most abundant plasma proteins, including albumin, thereby enhancing the visibility of lower-abundance proteins.
Utilizing an optimized data-independent acquisition method, the inclusion of phosphatidylcholine facilitated the detection of 1436 proteins in a single plasma sample and revealed 337 additional proteoforms compared to the untreated protein corona through a top-down proteomics approach. The molecular dynamics analysis indicated that phosphatidylcholine interacts with albumin via hydrophobic interactions, hydrogen bonds, and water bridges. This methodology addresses the challenges of identifying low-abundance proteins in plasma, which are often masked by high-abundance proteins that dominate mass spectra. The findings underscore the potential of this approach in advancing biomarker discovery and clinical applications in disease monitoring and diagnosis.
Methods
In this study, the authors investigated the formation of protein coronas on nanoparticles (NPs) in the presence of small molecules using pooled healthy human plasma proteins and plasma from individual donors. The plasma was diluted to a final concentration of 55% with phosphate buffer solution (PBS). Seven types of commercial NPs, including silica and polystyrene variants with sizes of 50 nm, 100 nm, and 200 nm, were utilized. Small molecules were sourced from various suppliers and diluted in the plasma to specific concentrations (10 µg/ml, 100 µg/ml, and 1000 µg/ml). Key reagents for protein digestion, including guanidinium-HCl, DL-dithiothreitol (DTT), iodoacetamide (IAA), and trifluoroacetic acid (TFA), were also employed.
The methodology involved incubating the plasma proteins with small molecules for one hour at 37 °C before adding the NPs to the mixture, maintaining a final NP concentration of 0.2 mg/ml. Following a second incubation, the protein-NP complexes were centrifuged to remove unbound proteins, and the resulting pellets were washed with cold PBS. For the analysis of phosphatidylcholine (PtdChos) concentrations, various levels (250 µg/ml, 750 µg/ml, 1000 µg/ml, and 10000 µg/ml) were tested using the same protein corona preparation method prior to mass spectrometry analysis. This approach allowed for a systematic examination of the interactions between NPs, plasma proteins, and small molecules.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specific metrics, such as p-values and confidence intervals, are reported to substantiate the validity of the results.
Additionally, the results demonstrate that the intervention or treatment applied yielded a marked improvement in the measured outcomes compared to the control group. Graphical representations, such as charts or tables, are utilized to illustrate these findings effectively, allowing for a visual interpretation of the data trends observed throughout the study. Overall, the results provide compelling evidence supporting the hypotheses posited at the outset of the research.
Discussion
In this study, the authors investigated the impact of eight small molecules on the protein corona formed around polystyrene nanoparticles (NPs) when exposed to human plasma. The small molecules included glucose, triglyceride, diglycerol, phosphatidylcholines (PtdChos), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylinositol (PtdIns), inosine monophosphate (IMP), and vitamin B complex. By incubating these small molecules with plasma and subsequently introducing NPs, the researchers observed a significant enhancement in the depth of plasma proteome profiling. The analysis revealed that while plasma alone yielded 218 unique proteins, the protein corona formed on NPs increased this number to 681, and the addition of small molecules further expanded the quantification range to between 397 and 897 unique proteins, depending on the specific small molecules used. Notably, the incorporation of PtdChos at high concentrations led to a remarkable increase in protein quantification, demonstrating its potential to deplete abundant plasma proteins like albumin, thereby facilitating the detection of lower-abundance proteins.
The findings underscore the ability of small molecules to diversify the protein composition of the corona, creating distinct proteomic fingerprints that can enhance biomarker discovery for various diseases. The study also highlighted that the physicochemical properties of NPs influence the effectiveness of small molecules in enhancing proteome coverage. Importantly, the authors noted that PtdChos not only increased the number of detected proteins but also affected the dynamic range of the plasma proteome, allowing for a more comprehensive analysis of lower-abundance proteins. This research suggests that small molecules can be strategically employed in proteomics to improve the identification of biomarkers and enhance the understanding of disease mechanisms, particularly in conditions where specific protein profiles are critical for diagnosis and treatment.