Analyse von Körperflüssigkeiten

Infrarot-Spektroskopie gibt Aufschluss über Fehlfaltungen

Wir haben eine Methode entwickelt, die alle Aβ-Peptide detektiert und zeitgleich, mit Hilfe infrarot (IR)-spektroskopischer Messverfahren, ihre Sekundärstrukturverteilung analysiert. Ein erhöhter Anteil an β-Faltblatt-reichen Strukturen in der Gesamtverteilung aller Aβ-Peptide ist assoziiert mit der Alzheimer-Erkrankung. Mittels der IR-Spektroskopie werden Informationen über die Sekundärstrukturverteilung von Proteinen erheblich schneller und einfacher gewonnen als mit Röntgenkristallographie oder Kernspin Resonanz (NMR)-Spektroskopie.

Die charakteristischste und größte Absorptionsbande von Proteinen ist die Amid-I-Bande, die durch Absorption des Peptidrückgrads versursacht wird und zwischen 1700 und 1600 cm^-1 liegt. Die genaue Position der Amid-I-Bande ist hierbei abhängig von der jeweiligen Sekundärstruktur (Nabers et al Journal of Biophotonics  2016). Den größten Anteil der Absorption der Amid-I-Bande hat die C=O Streckschwingung der Peptidbindung. Die Unterschiede in den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen C=O und NH Gruppen und den Kopplungen der C=O Schwingungen führen zu unterschiedlichen Schwingungsenergien und so zu unterschiedlichen Absorptionsfrequenzen der Amid-I-Banden. Die Sekundärstruktur β-Sheet, in der die mit Alzheimer assoziierten Aß-Fibrillen hauptsächlich vorliegen, ruft eine Amid-I-Bande mit einem Maximum bei 1630 cm^-1 hervor. Im Gegensatz dazu absorbieren α-helikale und ungeordnete Sekundärstrukturen von Proteinen im Bereich von 1655 – 1645 cm^-1. Da gesunde Menschen einen hohen Anteil an ungeordneten / α-helikalen Aβ-Peptiden besitzen, sind deren Proben anhand der Form der Amid-I-Bande von den Proben von Patienten mit Morbus Alzheimer zu unterscheiden. Damit das funktioniert, muss allerdings die gesamte Verteilung der Sekundärstrukturen aller Aβ-Peptide gemessen werden.

Durch Differenzbildung der Spektren vor und nach der Bindung des Zielproteins wird die Sekundärstruktur-sensitive Amid-I-Bande des Proteinrückgrats des Zielproteins gemessen. Die detektierte Amid-I-Bande stellt ein integriertes Signal über alle gebundenen Protein-Konformationen dar. Je höher der Anteil an pathogenen Formen in der Gesamtverteilung ist, desto weiter verschiebt sich das Maximum der detektierten Amid-I-Bande zu niedrigeren Wellenzahlen. Die β-Faltblatt-reichen, toxischen Isoformen zeigen ein Maximum im Bereich um 1638 cm^-1, wohingegen monomere, nicht-toxische Formen bei etwa 1652 cm^-1 absorbieren. Unsere Studien haben ergeben, dass bei gesunden Probanden das spektroskopische Maximum der Amid-I-Bande oberhalb eines experimentell bestimmten Schwellbereichs um 1643 cm^-1 liegt, während es bei Probanden mit Alzheimer-Erkrankung unterhalb dieses Schwellwertes liegt. In bisherigen Studien hat unser Immuno-Infrarot-Sensor bei Patienten, die später an Alzheimer erkrankt sind, die richtige Tendenz bereits bis zu 8 Jahre vor klinischer Manifestation von Symptomen vorhergesagt (Nabers et al EMBO Molecular Medicine 2018. Durch den Einsatz neuartiger Quantenkaskadenlaser (QCL) als Infrarotlichtquelle bietet sich nun die Möglichkeit einer Optimierung und Miniaturisierung des Messaufbaus. Dies ist der erste Schritt in der Entwicklung eines kliniktauglichen Geräts.