Was sind Proteom und Proteomprofile?

Das Proteom ist als die Gesamtheit aller Proteine definiert, die in den Genen eines Lebewesens kodiert sind. Beim Menschen umfasst das Proteom zumindest 20.000 nicht modifizierte („kanonische“) Proteine. Unter normalen physiologischen Bedingungen werden vom gesamten Proteom aber nur diejenigen Proteine exprimiert, die für die Ausführung der Organfunktionen zu einem bestimmten Zeitpunkt notwendig sind, so ergeben sich organspezifische Proteomprofile. Da diese Profile den physiologischen Zustand des jeweiligen Organs auf molekularer Ebene abbilden, verändert sich das Proteomprofil eines Organs im Zuge der Entstehung und des Fortschreitens einer Erkrankung und das bereits bevor sich Veränderungen der Organfunktion medizinisch nachweisen lassen. Einige dieser Proteine gelangen ins Blut und ermöglichen es so, den Verlauf einer Erkrankung im Blut nachzuweisen.

Analyse des Proteoms

Um einen Einblick in die molekularen Mechanismen einer Erkrankung zu erhalten, müssen Veränderungen im Proteom möglichst umfassend dargestellt werden. Das Proteomforschungslabor ist dazu mit einer auf Hochdurchsatz ausgelegten und auf Immuno-qPCR basierenden Analyseplattform ausgestattet. Diese Technik ermöglicht die zielgerichtete (engl. „targeted“), hochspezifische und hochsensitive simultane quantitative Messung von 92 Proteinen in 88 Proben. Diese 92 Proteine sind zu jeweils einem Panel zusammengefasst. Momentan sind 14 dieser Panels der Firma Olink Proteomics (Uppsala, Schweden) verfügbar, die somit 1.288 humane Proteine abdecken. Diese gliedern sich in 7 auf bestimmte Krankheitsbereiche (2 x Kardiologie, 3 x Onkologie, 2 x Neurologie) und 7 auf wichtige biologische Prozesse (Inflammation, Immunantwort, Zellregulation, Metabolismus, Kardiometabolismus, Entwicklung, Organschädigung) fokussierte Panels. Zudem ist ein Panel für die Bestimmung von 92 Mausproteinen verfügbar. Die messbaren Probenqualitäten umfassen dabei vor allem Blutplasma und -serum aber auch Urin, Liquor, Speichel, Synovialflüssigkeiten und Gewebelysate. Das Proteomforschungslabor wurde von der Firma Olink Proteomics zur Durchführung der Analysen zertifiziert und ist als Shared Expertise (SE175) beim Deutschen Zentrum für Herz-Kreislauf Forschung e.V. registriert (für weitere Informationen klicken Sie hier).
Die Messung verschiedener dieser Panels ermöglichte bereits die Identifizierung von Protein-Biomarkern in den Bereichen venöser thromboembolischer Ereignisse, Herzinsuffizienz und Typ 2 Diabetes mellitus. Die Proteinmessungen erfolgen auf Chips der Firma Fluidigm mit integrierten Flüssigkeitskreisläufen (engl. „integrated fluidic circuits“ oder kurz IFC). Die Messung auf diesen Chips ermöglicht es, die Proteine in einer Ausgangsprobenmenge von nur einem Mikroliter (0,001 Milliliter) zu bestimmen.

Die hohe Spezifität der auf Immuno-qPCR basierenden Proteinbestimmungen ergibt sich aus der Notwendigkeit einer räumlichen Nahbindung von zwei verschiedenen Antikörpern an dasselbe Molekül eines Zielproteins ® Olink Proximity Extension Assay (PEA) Technologie . Beide Antikörper sind chemisch mit komplementären Oligonukleotiden verbunden, die sich aufgrund der räumlichen Nähe (engl. „Proximity“) verbinden (hybridisieren). Nur bei erfolgter Hybridisierung bilden sich durch eine enzymatische Verlängerung der Oligonukleotide (engl. „Extension“) proteinspezifische DNA-reporter Sequenzen, die durch Vervielfältigung (engl. „Amplification“) mittels qPCR detektiert werden. Aus dieser Vervielfältigung der Reportersequenzen ergibt sich die außerordentlich hohe Sensitivität der Bestimmung. Das resultierende Signal ist proportional zum Gehalt des jeweiligen Proteins in der Probe.

Studien mit Biodatenbank

Die Präventive Kardiologie bemüht sich in ihrer Forschungsarbeit um die Translation wissenschaftlicher Erkenntnisse in die klinische Anwendung. Diese kardiovaskuläre, klinisch-epidemiologische Forschung ist in der Wissenschaft oftmals ein Bindeglied zwischen Grundlagenforschung und der medizinischen Anwendung. Durch qualitativ hochwertige patientenorientierte Forschung können Prävention, Diagnose, Behandlung, Therapie und auch Prognose von kardiovaskulären Erkrankungen verbessert werden. Zentrale Ressource unserer wissenschaftlichen Arbeit sind die bestehenden, gut charakterisierten, zumeist auch interdisziplinär durchgeführten, Kohorten inklusive Biomaterialbanken. Diese basieren auf einer umfassenden Charakterisierung und Erfassung der Studienteilnehmer und ihres Gesundheits- bzw. Krankheitsverlaufes (hier spielen neben der subklinischen und klinischen Erkrankung, viele Faktoren wie Persönlichkeit, Umwelt und Lebensstil eine Rolle) verbunden mit der Sammlung verschiedenster Biomaterialien (molekulare Marker, inkl. Genetik). Auf diese Weise sollen auch komplexe, multikausale Mechanismen und Prozesse in der Entstehung und dem Verlauf von Erkrankungen sowohl im konfirmatorischen als auch im explorativen Ansatz entschlüsselt und verstanden werden. Grundlage für die Generierung und Verwertung dieser Ressourcen sind hochstandardisierte Prozesse und ein umfassendes Qualitätsmanagement in allen unseren Projekten. Für die Probenaufarbeitung werden standardisierte Methoden und für die Lagerung ein semi-automatisiertes und temperaturüberwachtes Biomateriallager genutzt. Für die Analysen großer Probenmengen stehen eine Biomarker- und ein Genetiklabor zur Verfügung. Die Biodatenbank der Präventiven Kardiologie umfasst einen Bestand von derzeit ca. 5,3 Mio. Bioproben verschiedenster Biomaterialien. 

Unser Ziel ist es unsere Studiendaten durch Standardisierung und Qualitätskontrolle bestmöglich und vergleichbar für alle Arten von Auswertungen vorzubereiten. Säulen des Qualitätsmanagements (QM) sind:

• Standardisierte Datenerhebung: Für eine vergleichbare und einheitliche Datengewinnung wurden SOPs (Standard Operating Procedure) erstellt, die die Abläufe einzelner Untersuchungen und Datenerhebungen dezidiert festlegen. Dadurch und durch regelmäßige Mitarbeiterschulungen wollen wir erreichen, dass alle gewonnenen Daten so vollständig wie möglich und miteinander vergleichbar sind.
• Standardisiertes Biobanking: Eine standardisierte Probenentnahme, -verarbeitung und -lagerung ist Voraussetzung, um Biomaterialmessungen auf hohem Niveau durchführen zu können. Zu allen Verarbeitungsschritten wurden SOPs erstellt, zusätzlich werden die Proben mittels Pipettierrobotern aufbereitet und mit Hilfe eines standardisierten Probenmanagements (Sortierung nach Qualitäten, gespiegelte Lagerung) in temperaturüberwachten Gefrierschränken gelagert (Biobanking).
• Qualitätskontrolle der Daten: Die Mitarbeiter:innen des Datenmanagements gewährleisten die Bereitstellung und Aktualisierung der Erhebungsmasken (eCRFs = electronic Case Report Form), prüfen die Rohdaten hinsichtlich Vollständigkeit und Plausibilität und pflegen die Datenbanken. In den QM-Datenbanken werden die qualitätskontrollierten Daten in der Firewall-gesicherten, abteilungseigenen Serverlandschaft gespeichert. Die QM-Datenbanken werden von den Statistikern als Datenquelle für wissenschaftliche Publikationen verwendet.
• Transparenz und Dokumentation: Für die übersichtliche Darstellung aller Variablen (Messwerte, Fragen aus Fragebögen/Interviews/eCRFs) werden in allen Studien und zu allen Erhebungszeitpunkten Variablenmanuale verwendet, die u.a. den Wissenschaftler:innen für die Planung von Auswertungen und Forschungsvorhaben zur Verfügung stehen. Die im Rahmen der Qualitätskontrolle vorgenommenen Anpassungen der Daten werden mit Hilfe von Fehlerberichten dokumentiert, so dass zu jeder Zeit alle Änderungen nachvollzogen werden können.

Die Abteilung Biometrie und Statistik verfügt über langjährige Erfahrung sowohl in der Auswertung von großen Beobachtungsstudien als auch in der Planung, Durchführung und Auswertung von klinischen Studien. Wir beraten Wissenschaftler:innen im Rahmen unserer Projekte und Kooperationsprojekte aus klinischen und experimentellen Disziplinen hinsichtlich ihres Forschungsvorhabens. Dies umfasst die Versuchsplanung, das Projektdesign, die Wahl statistischer Methoden und Analyse der erhobenen Daten. Unsere Kernkompetenz liegt in der Durchführung statistischer Auswertungen und die Aufbereitung der Ergebnisse durch standardisierte Outputs. Auch die Datenvisualisierung spielt hierbei eine vorrangige Rolle um abstrakte, komplexe Zusammenhänge greifbar zu machen. Weiterhin unterstützen wir Wissenschaftler:innen bei der Interpretation der Ergebnisse von klinischen und epidemiologischen Studien und führen kritische Reviews wissenschaftlicher Arbeiten durch.

Unsere Schwerpunkte:

• Studiendesign und Fallzahlplanung
• Imputation fehlender Werte
• Statistische Modellierung
• Regressionsanalysen
• Überlebenszeitanalyse
• Nichtparametrische Verfahren
• Verfahren des maschinellen Lernens
• Datenvisualisierung
• Statistische Forschung  inkls. interne Weiterbildungen zu statistischen Themen und Softwares (R, SPSS, SAS)

Das Team der Bioinformatik widmet sich den stets wachsenden Herausforderungen in der Analyse und Interpretation hochdimensionaler und komplexer biomedizinischer Daten.
Die zentrale Aufgabe der Abteilung ist die Analyse und Integration diverser Datenebenen, mit Schwerpunkt auf molekularen ‚Omics‘-Daten des menschlichen Genoms, Transkriptoms und Proteoms, die in den Kohortenstudien generiert werden. Dazu verwenden wir neuste Methoden aus den Bereichen der Bioinformatik, dem maschinellen Lernen und der Systemmedizin.
Durch unsere Analysen erhalten wir neue Erkenntnisse zur Entstehung von Krankheiten und ermöglichen ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen. Weiterhin erlauben uns die eingesetzten maschinellen Lernverfahren die Verbesserung der individuellen Risikovorhersage zur Krankheitsentstehung.