Rapid mass spectrometric peptide sequencing and mass matching for characterization of human melanoma proteins isolated by two-dimensional PAGE.

We report a general mass spectrometric approach for the rapid identification and characterization of proteins isolated by preparative two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis. This method possesses the inherent power to detect and structurally characterize covalent modifications. Absolute sensitivities of matrix-assisted laser desorption ionization and high-energy collision-induced dissociation tandem mass spectrometry are exploited to determine the mass and sequence of subpicomole sample quantities of tryptic peptides. These data permit mass matching and sequence homology searching of computerized peptide mass and protein sequence data bases for known proteins and design of oligonucleotide probes for cloning unknown proteins. We have identified 11 proteins in lysates of human A375 melanoma cells, including: alpha-enolase, cytokeratin, stathmin, protein disulfide isomerase, tropomyosin, Cu/Zn superoxide dismutase, nucleoside diphosphate kinase A, galaptin, and triosephosphate isomerase. We have characterized several posttranslational modifications and chemical modifications that may result from electrophoresis or subsequent sample processing steps. Detection of comigrating and covalently modified proteins illustrates the necessity of peptide sequencing and the advantages of tandem mass spectrometry to reliably and unambiguously establish the identity of each protein. This technology paves the way for studies of cell-type dependent gene expression and studies of large suites of cellular proteins with unprecedented speed and rigor to provide information complementary to the ongoing Human Genome Project.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Short communication: Role of Streptococcus pluranimalium in Mediterranean buffaloes (Bubalus bubalis) with different udder health statuses

The aims of the current study were to describe presence and clinical role over time of Streptococcus pluranimalium isolated in milk samples of Mediterranean buffalo (MB). Two hundred composite milk samples originating from 40 primiparous MB were collected at 10, 30, 60, 90, and 150d in milk (DIM) and from 20 pluriparous MB at 77 to 120 DIM. Milk samples were used for analysis of somatic cell counts, bacteriological cultures, and identification (matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry). Nine of 200 (4.5%) samples of primiparous MB and 3 of 20 (15%) samples of pluriparous MB were positive for Strep. pluranimalium. The prevalence of the bacterium in primipari was 0% (0/40) at 10, 30, and 150 DIM, whereas it was 5 (2/40) and 17.5% (7/40) at 60 and 90 DIM, respectively. Eight primipari were positive only once, whereas 1 was positive at 2 different samplings. Mono-infection was not detected in any of the age categories or udder health status. Infections were transient in primipari. Clinical mastitis was observed in primipari once at 90 DIM, subclinical mastitis detected twice in the same animals at 60 and 90 DIM, and intramammary infections were diagnosed 1 and 5 times at 60 and 90 DIM in primipari, respectively, whereas 3 infections were diagnosed in pluripari. The clinical reflections demonstrate for the first time the presence of Strep. pluranimalium in MB and its association with different udder health status. Nevertheless, it cannot be excluded that the bacterium may simply follow a pattern of commensal or opportunistic behavior, taking advantage of a preexisting bacterial udder infection.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Measurement of free drug and clinical end-point by high-performance liquid chromatography-mass spectrometry: Applications and implications for pharmacokinetic and pharmacodynamic studies

Free drug measurement and pharmacodymanic markers provide the opportunity for a better understanding of drug efficacy and toxicity. High-performance liquid chromatography (HPLC)-mass spectrometry (MS) is a powerful analytical technique that could facilitate the measurement of free drug and these markers. Currently, there are very few published methods for the determination of free drug concentrations by HPLC-MS. The development of atmospheric pressure ionisation sources, together with on-line microdialysis or on-line equilibrium dialysis and column switching techniques have reduced sample run times and increased assay efficiency. The availability of such methods will aid in drug development and the clinical use of certain drugs, including anti-convulsants, anti-arrhythmics, immunosuppressants, local anaesthetics, anti-fungals and protease inhibitors. The history of free drug measurement and an overview of the current HPLC-MS applications for these drugs are discussed. Immunosuppressant drugs are used as an example for the application of HPLC-MS in the measurement of drug pharmacodynamics. Potential biomarkers of immunosuppression that could be measured by HPLC-MS include purine nucleoside/nucleotides, drug-protein complexes and phosphorylated peptides. At the proteomic level, two-dimensional gel electrophoresis combined with matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight (TOF) MS is a powerful tool for identifying proteins involved in the response to inflammatory mediators. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Epidermal Growth Factor Gene (EGF) Polymorphism and Risk of Melanocytic Neoplasiay

A common single nucleotide polymorphism (SNP) in the 5' untranslated region (5'UTR) of the epidermal growth factor (EGF) gene modulates the level of transcription of this gene and hence is associated with serum levels of EGF. This variant may be associated with melanoma risk, but conflicting findings have been reported. An Australian melanoma case-control sample was typed for the EGF+61A>G transversion (rs4444903). The sample comprised 753 melanoma cases from 738 families stratified by family history of melanoma and 2387 controls from 645 unselected twin families. Ancestry of the cases and controls was recorded, and the twins had undergone skin examination to assess total body nevus count, degree of freckling and pigmentation phenotype. SNP genotyping was carried out via primer extension followed by matrix-assisted laser desorption time of flight (MALDI-TOF) mass spectroscopy. The EGIF+61 SNP was not found to be significantly associated with melanoma status or with development of nevi or freckles. Among melanoma cases, however, G homozygotes had thicker tumors (p=0.05), in keeping with two previous studies. The EGF polymorphism does not appear to predispose to melanoma or nevus development, but its significant association with tumor thickness implies that it may be a useful marker of prognosis.

Proteomic analysis of k-casein micro-heterogeneity

The proteome of bovine milk is dominated by just six gene products that constitute approximately 95% of milk protein. Nonetheless, over 150 protein spots can be readily detected following two-dimensional electrophoresis of whole milk. Many of these represent isoforms of the major gene products produced through extensive posttranslational modification. Peptide mass fingerprinting of in-gel tryptic digests (using matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) in reflectron mode with alpha-cyano-4-hydroxycinnamic acid as the matrix) identified 10 forms of K-casein with isoelectric point (pl) values from 4.47 to 5.81, but could not distinguish between them. MALDI-TOF MS in linear mode, using sinapinic acid as the matrix, revealed a large tryptic peptide (mass > 5990 Da) derived from the C-terminus that contained all the known sites of genetic variance, phosphorylation and glycosylation. Two genetic variants present as singly or doubly phosphorylated forms could be distinguished using mass data alone. Glycoforms containing a single acidic tetrasaccharide were also identified. The differences in electrophoretic mobility of these isoforms were consistent with the addition of the acidic groups. While more extensively glycosylated forms were also observed, substantial loss of N-acetylneuraminic acid from the glycosyl group was evident in the MALDI spectra such that ions corresponding to the intact glycopeptide were not observed and assignment of the glycoforms was not possible. However, by analysing the pl shifts observed on the two-dimensional gels in conjunction with the MS data, the number of N-acetylneuraminic acid residues, and hence the glycoforms present, could be determined.

An automatable screen for the rapid identification of proteins amenable to refolding

Insoluble expression of heterologous proteins in Escherichia coli is a major bottleneck of many structural genomics and high-throughput protein biochemistry projects. Many of these proteins may be amenable to refolding, but their identification is hampered by a lack of high-throughput methods. We have developed a matrix-assisted refolding approach in which correctly folded proteins are distinguished from misfolded proteins by their elution from affinity resin under nondenaturing conditions. Misfolded proteins remain adhered to the resin, presumably via hydrophobic interactions. The assay can be applied to insoluble proteins on an individual basis but is particularly well suited for high-throughput applications because it is rapid, automatable and has no rigorous sample preparation requirements. The efficacy of the screen is demonstrated on small-scale expression samples for 15 proteins. Refolding is then validated by large-scale expressions using SEC and circular dichroism.

Rapid screening of 4000 individuals for germ-line variations in the BRAF gene

Background: The BRAF gene is frequently somatically altered in malignant melanoma. A majority of variations are at the valine 600 residue leading to a V600E substitution that constitutively activates the kinase. We screened 4000 patient and control DNAs for germ-line variations at the valine 600 residue. Methods: We developed a novel assay by adapting single-base variation assays and software for MALDI-TOF (matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight) mass spectrometry to screen for all 5 reported variants at codon 600 of the BRAF gene. We screened a case-control collection comprising samples from 1082 melanoma patients and 154 of their unaffected relatives from 1278 families and from 2744 individuals from 659 unselected twin families with no history of melanoma. A panel of 66 melanoma cell lines was used for variation-positive controls. Results: All melanoma cell lines that we had found previously to carry a codon 600 variation were verified in this study. Three of the 4 possible variants (V600E n = 47, V600K n = 2, V600R n = 1) were detected, but no case of V600D was available. No germ-line variants were found in the samples from the 3980 melanoma patients or from the control individuals. Conclusions: This new assay is a high-throughput, automated alternative to standard sequencing and can be used as a rapid initial screen for somatic variants associated with melanoma. Germ-line variants at valine 600 are unlikely to exist and do not contribute to the reported role of the BRAF gene in melanoma predisposition. (c) 2006 American Association for Clinical Chemistry.

Novel variants in growth differentiation factor 9 in mothers of dizygotic twins

Context: Genes from the ovarian bone morphogenetic signaling pathway (GDF9 and BMP15) are critical for normal human fertility. We previously identified a deletion mutation in GDF9 in sisters with spontaneous dizygotic (DZ) twins, but the prevalence of rare GDF9 variants in twinning families is unknown. Objective: The objective was to evaluate the frequency of rare variants in GDF9 in families with a history of DZ twinning. Design and Subjects: We recruited 3450 individuals from 915 DZ twinning families (1693 mothers of twins) and 1512 controls of Caucasian origin. One mother of DZ twins was selected from 279 of the 915 families, and a DNA sample was screened for rare variants in GDF9 using denaturant HPLC. Variants were confirmed by DNA sequencing and genotyped in the entire sample by matrix-assisted laser desorption ionization time of flight (MALDI-TOF) mass spectrometry. Results: We found two novel insertion/deletions (c.392-393insT, c.1268-1269delAA) and four missense alterations in the GDF9 sequence in mothers of twins. Two of the missense variants (c.307C > T, p.Pro103Ser and c.362C > T, p.Thr121Leu) were located in the proregion of GDF9 and two (c.1121C > T, p.Pro374Leu and c.1360C > T, p.Arg454Cys) in the mature protein region. For each variant, the frequencies were higher in cases compared with controls. The proportion of mothers of DZ twins carrying any variant (4.12%) was significantly higher (P < 0.0001) than the proportion of carriers in controls (2.29%). Conclusion: We describe new variants in the GDF9 gene that are significantly more common in mothers of DZ twins than controls, suggesting that rare GDF9 variants contribute to the likelihood of DZ twinning.

Dose-dependent modulation of the T cell proteome by ascorbic acid

To investigate the hypothesis that the micronutrient ascorbic acid can modulate the functional genome, T cells (CCRF-HSB2) were treated with ascorbic acid (up to 150 μM) for up to 24 h. Protein expression changes were assessed by two-dimensional electrophoresis. Forty-one protein spots which showed greater than two-fold expression changes were subject to identification by matrix-assisted laser desorption ionisation time of flight MS. The confirmed protein identifications were clustered into five groups; proteins were associated with signalling, carbohydrate metabolism, apoptosis, transcription and immune function. The increased expression of phosphatidylinositol transfer protein (promotes intracellular signalling) within 5 min of ascorbic acid treatment was confirmed by Western blotting. Together, these observations suggest that ascorbic acid modulates the T cell proteome in a time- and dose-dependent manner and identify molecular targets for study following antioxidant supplementation in vivo.

The use of proteomics for the assessment of clinical samples in research

Proteomics, the analysis of expressed proteins, has been an important developing area of research for the past two decades [Anderson, NG, Anderson, NL. Twenty years of two-dimensional electrophoresis: past, present and future. Electrophoresis 1996;17:443-53]. Advances in technology have led to a rapid increase in applications to a wide range of samples; from initial experiments using cell lines, more complex tissues and biological fluids are now being assessed to establish changes in protein expression. A primary aim of clinical proteomics is the identification of biomarkers for diagnosis and therapeutic intervention of disease, by comparing the proteomic profiles of control and disease, and differing physiological states. This expansion into clinical samples has not been without difficulties owing to the complexity and dynamic range in plasma and human tissues including tissue biopsies. The most widely used techniques for analysis of clinical samples are surface-enhanced laser desorption/ionisation mass spectrometry (SELDI-MS) and 2-dimensional gel electrophoresis (2-DE) coupled to matrix-assisted laser desorption ionisation [Person, MD, Monks, TJ, Lau, SS. An integrated approach to identifying chemically induced posttranslational modifications using comparative MALDI-MS and targeted HPLC-ESI-MS/MS. Chem. Res. Toxicol. 2003;16:598-608]-mass spectroscopy (MALDI-MS). This review aims to summarise the findings of studies that have used proteomic research methods to analyse samples from clinical studies and to assess the impact that proteomic techniques have had in assessing clinical samples. © 2004 The Canadian Society of Clinical Chemists. All rights reserved.

Interfacing low-energy SAW nebulization with liquid chromatography-mass spectrometry for the analysis of biological samples

Soft ionization methods for the introduction of labile biomolecules into a mass spectrometer are of fundamental importance to biomolecular analysis. Previously, electrospray ionization (ESI) and matrix assisted laser desorption-ionization (MALDI) have been the main ionization methods used. Surface acoustic wave nebulization (SAWN) is a new technique that has been demonstrated to deposit less energy into ions upon ion formation and transfer for detection than other methods for sample introduction into a mass spectrometer (MS). Here we report the optimization and use of SAWN as a nebulization technique for the introduction of samples from a low flow of liquid, and the interfacing of SAWN with liquid chromatographic separation (LC) for the analysis of a protein digest. This demonstrates that SAWN can be a viable, low-energy alternative to ESI for the LC-MS analysis of proteomic samples.

Synthesis and Biological Evaluation of Novel Folic Acid Receptor-Targeted, β-Cyclodextrin-Based Drug Complexes for Cancer Treatment

Drug targeting is an active area of research and nano-scaled drug delivery systems hold tremendous potential for the treatment of neoplasms. In this study, a novel cyclodextrin (CD)-based nanoparticle drug delivery system has been assembled and characterized for the therapy of folate receptor-positive [FR(+)] cancer. Water-soluble folic acid (FA)-conjugated CD carriers (FACDs) were successfully synthesized and their structures were confirmed by 1D/2D nuclear magnetic resonance (NMR), matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometer (MALDI-TOF-MS), high performance liquid chromatography (HPLC), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and circular dichroism. Drug complexes of adamatane (Ada) and cytotoxic doxorubicin (Dox) with FACD were readily obtained by mixed solvent precipitation. The average size of FACD-Ada-Dox was 1.5–2.5 nm. The host-guest association constant Ka was 1,639 M−1 as determined by induced circular dichroism and the hydrophilicity of the FACDs was greatly enhanced compared to unmodified CD. Cellular uptake and FR binding competitive experiments demonstrated an efficient and preferentially targeted delivery of Dox into FR-positive tumor cells and a sustained drug release profile was seen in vitro. The delivery of Dox into FR(+) cancer cells via endocytosis was observed by confocal microscopy and drug uptake of the targeted nanoparticles was 8-fold greater than that of non-targeted drug complexes. Our docking results suggest that FA, FACD and FACD-Ada-Dox could bind human hedgehog interacting protein that contains a FR domain. Mouse cardiomyocytes as well as fibroblast treated with FACD-Ada-Dox had significantly lower levels of reactive oxygen species, with increased content of glutathione and glutathione peroxidase activity, indicating a reduced potential for Dox-induced cardiotoxicity. These results indicate that the targeted drug complex possesses high drug association and sustained drug release properties with good biocompatibility and physiological stability. The novel FA-conjugated β-CD based drug complex might be promising as an anti-tumor treatment for FR(+) cancer.