Nanobioteknologi för framtidens proteinanalys



Relevanta dokument
Nya biomarkörer för diagnostik av tidig ovarialcancer; studier på cystvätskor och blod

Immunteknologi, en introduktion. Hur man använder antikroppar för att mäta eller detektera biologiska händelser.

) / (c l) -A R ) = (A L. -ε R. Δε = (ε L. Tentamen i Biomätteknik (TFKE37), 9 januari Uppgift 1 (10p)

Forskning om diagnos och behandling vid Alzheimers sjukdom

REHAB BACKGROUND TO REMEMBER AND CONSIDER

Läkemedelsupptäckt och utveckling (Drug discovery and development)

Rening, inmärkning och användning av ett målprotein

Är genetiken på väg att bota diabetes?

Internationella erfarenheter: Publicerade resultat kring cut off- värden för jordnöt

Biobankning av mikrobiologiska prover en resurs för klinisk forskning

Modellbaserad processutveckling för Läkemedelsindustrin

Sören Andersson. Professor, prefekt, överläkare. Institutionen för medicinska vetenskaper Örebro universitet & Laboratoriemedicin, Region Örebro län

edna i en droppe vatten

Familjär Hyperkolesterolemi

GENOMIC MEDICINE SWEDEN

UVIS. Ett nationellt center för avbildning med tyngdpunkt inom translationell medicin. Jan Grawé. Uppsala Universitet

Basofil allergenstimulering- CD-sens

Dr. Belinda Adler. Kemiska och biokemiska sensorer. Sensorer och mätteknik Belinda Adler Avd. Biomedicinsk teknik. Bioteknik på LTH.

BIOLOGISKA TESTMETODER

Validering av kvalitetsregisterdata vad duger data till?

Kursplan för kursen Bioanalytisk HPLC, [NAKE006] engelsk titel: Bioanalytical HPLC

DUGGA Molekylärbiologi T2 / VT p (G = 25 p)

Nasrin Perskvist, National Coordinator and Director of Clinical Cytology Biobank BBMRI.se Karolinska Institute, Inst LabMed Karolinska University

Hög-känslig troponin ett kliniskt perspektiv. Kai Eggers Kardiolog Kliniken Akademiska sjukhuset

LifeAssays idag Mars Anders Ingvarsson (CEO)

Kombinerad träning kan muskeln bli snabb, stark och uthållig på samma gång?

Supplementary information for. MATE-Seq: Microfluidic Antigen-TCR Engagement Sequencing

balans Serie 7 - The best working position is to be balanced - in the centre of your own gravity! balans 7,45

Molekylärbiologisk diagnostik av tarmparasiter

Centrala Dogmat. DNA RNA Protein

Viktig produktsäkerhetsinformation

Cirkulerande cellfritt DNA

Preanalytiska faktorer inom koagulation och provtagningsrör

Tentamen i Biomätteknik SVENSK VERSION. UPPGIFT 1 (10p)

Arbets- och miljömedicinska laboratoriet

Anders Ingvarsson (VD) LifeAssays AB (publ.), NGMs Kapitalmarknadsdag den 8 maj 2012

Bone Scan Index (BSI) med skelettscintigrafi. Mariana Reza, MD, PhD Klinisk fysiologi och nuklearmedicin, SUS Malmö och LU Lund

Dokumentnamn Order and safety regulations for Hässleholms Kretsloppscenter. Godkänd/ansvarig Gunilla Holmberg. Kretsloppscenter

Immunometoder för serum digoxin analys

Personnummer. DUGGA Molekylärbiologi T3 / HT p (G = 24 p)

LifeAssays en sammanfattning fram till idag. LifeAssays bolagsstämma

Design by Voice. Azzaro

Utvärdering av IVIG behandling vid post-polio syndrom. Kristian Borg

CMV/EBV Molekylär diagnostik. Annika Allard Klinisk Mikrobiologi/Virologi Norrlands Universitetssjukhus

MedTech20 - ett nytt instrument för att mäta patientnyttan av medicintekniska produkter Ingela Björholt, PhD

EUROPARÅDSGUIDEN. Docent Jan Säfwenberg Klinisk immunologi och transfusionsmedicin Uppsala. Equalis okt 2013 Jan Swg

Allergier Inget att (f)nysa åt!

Vad är Klinisk forskning

What Is Hyper-Threading and How Does It Improve Performance

Uppsala november 6, 2013 Anne-Charlotte Aronsson, CEO

Tentamen i Klinisk kemisk diagnostik 13 maj 2016 Skrivtid: 8:00-12:00

Bioteknik. Sammanfattande bedömning. Ämnesbeskrivning

WP6 status för BBMRI.se styrelse Mark Divers

Föredrag för Nätverk Uppdrag Hälsa 25 oktober Anders Anell

Bioteknikbranschen innovation, värdekedjor och tillväxt. Henrik Mattsson Ekonomisk geografi HT 2009

Optimerat NGS-flöde för rutintypning av bakterier

HUR VÄL STÄMMER RESULTAT FRÅN MÖGELMODELLER MED VERKLIGHETEN

SUPPLEMENTARY INFORMATION

Analys av Dieselavgaspartiklar/dieselrök

I neutrofila celler så utgör calprotectin - 5 % av totala proteininnehållet - 60 % av proteininnehållet i cytoplasman

Elektron-absorbtionspektroskopi för biomolekyler i UV-VIS-området

TN LR TT mg/l N b) 2,6-Dimethylphenole

The test can be performed on the following devices. In addition, the required cuvette and the absorption range of the photometer are indicated.

När ändrar jag till en ny behandlingsform?

Skade- och läkningsmekanismer vid skalltrauma. Carl-Henrik Nordström

Regressionstestning teori och praktik

TS CASESKOLA B. Asplund, CJ och Bengtsson, L. LTH

Biologiska Rytmer och Sömn


Daniel Karlsson, univ.lektor, Institutionen för medicinsk teknik

Läcksökning som OFP-metod

TRENDERNA SOM FORMAR DIN VERKLIGHET 2014 ÅRETS IT AVDELNING

Health café. Self help groups. Learning café. Focus on support to people with chronic diseases and their families

BIOMARKERS MEDIATORS SYSTEMIC LUPUS ERYTHEMATOSUS

GENOMIC MEDICINE SWEDEN

Johan Benesch. Null Ellipsometry and Protein Adsorption to Model Biomaterials

Masterprogrammet i molekylära tekniker inom livsvetenskaperna

HUR VÄL STÄMMER RESULTAT FRÅN MÖGELMODELLER MED VERKLIGHETEN

Affärsmodellernas förändring inom handeln

HUGO-projektet. Kartläggningen av det mänskliga genomet

Cirkulerande tumör-dna för cancerdiagnostik

Chagas sjukdom: Aktuell serologisk diagnostik

Den Nationella Forskarskolan i Intelligenta Transportsystem

Framtida diagnostik av sepsis. Sanja Jurcevic Biträdande lektor i systembiologi Institutionen för Biovetenskap Högskolan i Skövde

Penicillinallergi hos barn

New approach to treat bacterial infection. Redeye Investor Forum, 26 februari, 2013 Ulf Boberg, CEO

AroCell AB. Årsstämma. 18 maj 2016

Individualiserad behandling var är vi och vart ska vi? Blicka seminarium, November 11, 2010

D-vitamin. Näringsrekommendationer

7!34% 7!34% !34% 52-53,/

Aktivering av signalen via TCR involverar många steg som måste stämma:

Sammanställning över alternativ till etidiumbromid

SOA One Year Later and With a Business Perspective. BEA Education VNUG 2006

Lägesrapport En unik sammanställning av läget för satsningar på medicinsk forskning i Sverige

Medicinska fakulteten UTBILDNING, FORSKNING OCH INNOVATION SEDAN 1666

ERC Syd (Epidemiologi och Registercentrum Syd)

Publikationer/Statistik. Publikationer/Statistik. Publikationer/Statistik

Green Charge Southeast a Leading Effort for Electric Vehicles in Sweden. Project Overview, Spring 2014 Dr. Henrik Ny, BTH

Country report: Sweden

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Transkript:

Nanobioteknologi för framtidens proteinanalys Simon Ekström Dept. of Measurement Technology and Industrial Electrical Engineering / CREATE Health Lund University, Sweden

Institutionen för Mätteknik och Industriell Elektroteknik i Lund Grundad av Professor Hellmuth Hertz Medicinskt Ultraljud Thomas Laurell fokus på Nanobiotechnologi och Lab-on-achip / klassisk proteomik / medicinskt US Dept. of Measurement Technology and Industrial Electrical Engineering Create Health - A Strategic Centre for Translational Cancer Research

Genomik Genomet, vårt arv är lagrat i from av DNA DNA är uppbyggt av 4 olika byggstenar ( A, T, G, C) Människan 5 x10 9 baspar = 2 meter utvecklat Duva ca 16 meter

Proteomik Proteom = den mängd olika proteiner som finns i en organism Proteinerna är uttrycket av vår genetiska potential Proteiner är involverade i alla biologiska processer E. coli bakterie innehåller ca 4000 olika proteiner

Lab-on-a-chip // Nanobioteknologi Microfluidik => laminärt flöde => svårt att blanda saker Korta diffusionsavstånd => snabb blandning genom diffusion För en 1 mm kanal tar det ca 100 s. att diffundera över men för en 10 um kanal tar det 10 millisekunder Ytarea till volym förhållandet ökar (med r -1 ) = ytegenskaper viktiga Ytspänning och viskositet blir viktiga parametrar Värmetransfer och avdunstining snabbare Små små provvolymer => många/billigare analyser

Problem med Protein Analys 1. Human Genome Data komplett, men ger inte svar på hur biologiska processer fungerar. 2. Protein uttrycket i en organism är dynamiskt ( sekunder veckor) 3. Ca 25000 gener = 1 miljon olika proteiner i det humana proteomet? 4. Proteins finns i oilka koncentrationer 10 1-10 12 5. Ingen universell analys teknik 6. Proteiner antar tre-dimensionella strukturer som bestämmer funktionen 1 000 000 000 000 $

Pharma perspektivet... >90% av substanserna som går till klinisk pröving är skräp Kostnaden för att sätta ett nytt läkemedel på marknaden är flera miljarder

Samhällsperspektiv --- Åldrande befolkning 2050 = 30% 2030 = 20% +10 +15 +25 +35 +45 +55 +65 +75 +85 2012 = 10%

Ni -- vem är sjuk och vilken medicin kommer ge bäst resultat Domenici E, Wille R, Tozzi F, Prokopenko I, Miller S, McKeown A, Brittain C, Rujescu D, Giegling I, Turck CW, Holsboer F, Bullmore ET, Middleton L, Merlo-Pich E, Alexander RC, Muglia P. (2010) Plasma protein biomarkers for depression and schizophrenia by multi analyte profiling of case-control collections. PLoS One 5:e9166

Protein Biomarkörer har stort kliniskt värde Sedan när? Hur många tester? Hur noggrant? Årtionden > 10 million/år CV~5-10% @ 100pg/ml Cardiac damage Cancer Inflammation Liver Damage Coagulation Allergy Infectious disease TnI, CK-MB, Mb, MPO, BNP PSA, CA-125, Her-2 CRP, SAA, cytokines, RF ALT, ALP, AST, GGT (enzyme assays) AT-III, proteins C&S, fibrinogen, VWF IgE against various antigens HIV-1, Hepatitis BsAg

Number of Resolved Species Utvecklingen för protein analys i plasma 10000 1000 Number of Zones/Spots Sequence Identified Unique Proteins 2-D 3 + -D 1175 d 607 a 100 341 b 319 c 10 1-D 40 49 60 1 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 The human plasma proteome: History, character, and diagnostic prospects. Anderson, N.L. and Anderson, N.G., Molecular and Cellular Proteomics, 1.11, 845-867 (2002) a. J. N. Adkins, et al, Mol Cell Proteomics 1, 947-55. b. R. S. Tirumalai, et al, Mol Cell Proteomics 2, 1096-103. c. R. Pieper, et al, Proteomics 3, 422-32. d. H_Plasma_NR-v2

Fler proteiner observerade ---- men inte så många nya Protein Assays!!!

Varför så få nya protein assays? Några kritiska faktorer: Den lågt hängade frukten är plockad? Prover som verkligen representerar en kliniskt biologisk frågeställning utan bias? Teknologier som kan hitta skillanderna i proverna mellan sjuk och frisk? Validering av upptäckta protein biomarkörer (eller mönster) är både tidskrävande och dyrt! Patent (multiplexa assays med olika markörer ett problem)?

Men det ser ljusare ut Tekniken --- Studie Design ---- Biobankerna --- Bioinformatik

Mass Spectrometry för Protein Analys Off-line (MALDI) eller on-line (ESI) beroende på applikation Inte lika känslig som fluorescens (än) Ger ett svar på vilken analyt som detekterats! Man kan idag detektera 1000-tals proteiner från ett pyttelitet prov och kvantifiera 100- tals proteiner under 1 enda körning

MALDI-TOF MS -- Enklast att förklara Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight Mass Spectrometry

Protein indentifikation

Proteomik Analys

Nanobiotech exempel Array baserad SPE Antikropps arrayer på poröst kisel Akustisk trapping av celler

Rationale för Array baserad SPE Optisk detektion kräver labelling (false positives/negatives och risk för artefakter) MS kan ge en 100% id. För den detekterade analyten Det finns massor med affinitets media och protokoll som man kan stjäla och implementera Ta fram biologiskt prov Masspektrometri Prov beredning Tid~15% Tid ~80% Tid~5%

ISET- Integrated Selective Enrichment Target An array based solid-phase affinity binding platform for sample preparation, discovery screening and diagnostic assays? 1. Ta bort skräp 2. koncentrera analyter 3. Hög recovery 4. Snabbt o billigt 5. Automatiserbar 6. Lätt att använda Same dimensions as the standard MALDI target. e.g. 5.5 x 5 cm and 96 perforated nanovials (30 nl volume) Electrophoresis, 2004, 25, 3769-3777 Journal of Proteome Research, 2006, 5, 1071-1081

ISET provbearbetning och masspektrometri på samma chip

Generic platform for SPE MALDI MS Requirements: 384 micro plate holder for vacuum, maldi adaptor All fixtures/chips matched to 384 pitch and positions!

ISET prov laddning Sample through pre-packed beads Sample bound to beads transfered to ISET

ISET vätskehanterings robot - low end Beckman-Coulter Biomek 3000 Proverna dras genom ISET mha vakuum Efter tvätt och eluering (1ml) landar de uppreande proverna kring utloppet, redo för MALDI MS

ISET vätskehanterings robot - high end 8-channel non-contact solenoid dispensing robot (25 nl-10 ml) from Seyonic SA (Neuchâtel, Switzerland) Advanced sample prep. protocols (digest, derivatization ) Maximal sensitivity by nanovolume elution (2 x 200 nl)

Jämfört med traditionella SPE tekniker 50 fmol (5 nm) standard prov analyserat ISET Comp 1 Comp 2

Intensity <3123.4> 2061.9 Fosfopeptid analys med TiO 2 kulor ISET 1:10 serum spiked with β-casein on ISET 2061 Da 500 fmol of casein 3.00 3122 Da r_f15 50 fmol of casein r_g14 5 fmol of casein 0 1000 m/z 5500 r_i14 C:\Documents and Settings\bogdanal\Desktop\Mass Spec\ISET_4_direct_031407\r_I14.txt (12:53 03/15/07)

På ISET digestion av upprenade protein This type of ISET sample preparation requires the high-end robotics

In ISET digestion av standard protein 1 pmol (red), 200 fmol (blue) and 50 fmol (black) Identifiera antikropps fångade proteins / QA på recombinant protein

Studier av Enzym Aktiviet ISET SPE sample prep Ratio substrate:product Ratio light:heavy PKA CYP2D6 To reach the lower (nm) levels we need to get rid of background

Poröst kisel för antikropps arrayer Stor yta 3D hög kapacitet Kisel är hydrofilt (-Si-OH) less risk of denaturing Ab s Nanotextured surface behaves hydrophobic

Screening porous silicon morphologies for protein microarrays Contact angle <90 Contact angle >90 Glass Silanized glass Porous silicon High density arrays (14 400 spots/cm 2 ) High sensitivity

Quantitative assaying in 80 patient samples 10 mm 50 mm Samples analyzed: 80 EDTA plasma samples obtained from patients undergoing clinical PSA testing, covering a clinically relevant range

Immunoassay på nanostrutured Porous Silicon följt av ISET RP SPE och MALDI MS Analytical Chemistry, 2011, 83, 4942-4948

Immunoassay on nanostrutured Porous Silicon using the Biomek 3000

Immunoassay on nanostrutured Porous Silicon is as good as Magnetic beads without tedious immobilization of antibodies and complex sample handling Mag beads to ISET Porous silicon to ISET Non-porous silicon to ISET

Immunoassay on nanostrutured Porous Silicon spiked plasma On chip capture using Ang 1 Antibody from 10 ul sample volume subjected to ISET RP SPE 5 nm Ang 1 spiked into plasma 1 nm Ang 1 spiked into plasma

Acoustic trapping of beads or cells followed by MS Pressure Allows us to get rid of the background = lower sensitivity Use less material beads or rare cells Reproducible number of cells (500 000 RBC) Force Observe cell-cell or protein-ligand interactions functional assays

Volume reconstruction from confocal microscopy Beads collected in channel centre Non-contact trapping Confocal volume scan: Green channel 4.2 um FITC (bead cluster) Red channel reflective data (capillary walls) Volumetric calculation gives ~500 000 cells (RBC)

Workflow for the Acoustic Trapping ISET SPE MALDI-MS Analysis ISET SPE sample preparation Acoustic Trapping MALDI-MS Analysis

Proof of principle experiment 10 ul Blood diluted x 10 PBS Menbrane impermeable peptide at 40 um Membrane binding small molecule at 2 um Acoustic trapping -> wash -> lysis -> ISET -> MALDI MS

Automated trapping of cells or beads Automation Aspiration/perfusion Defined # of cells Temporal resolution

MALDI MS read-out Peptide Drug Differential peaks

Utmaningar i framtida protein analys Biomarkör discovery från jättesmå biobank prover Stora kohorter i Kliniska studier Screening av stora mängder protein/antikroppar (HPR, ScFv,,,) Validering av assays Funktionella assays Diagnosiska assays som kostnads effektivt kan implementeras på kliniken

Vision Biological question Biomarker Discovery Screening Targets Nanobiotech Mass Spectrometry Affinity probes Nya assays och teknik plattfromar för patient stratifiering och point-of-care analys

http://www.elmat.lth.se/english/research/ Thomas Laurell Björn Hammarström Johan Nilsson Simon Ekström György Marko-Varga Prof. Hans Lilja Memorial Sloane Kettering Cancer Centre New York Belinda Adler Asilah Tajudin Per Augustsson Dr. Johan Malm Dept. Laboratory medicine, Malmö University Hospital, Sweden Crafoord Foundation Carl Trygger Foundation