Mass spectrometry based identification of prostate cancer biomarkers from tissue microarrays  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
121187
Type PD
Principal investigator Turiák, Lilla
Title in Hungarian Prosztata daganat biomarkerek tömegspektrometrián alapuló azonosítása szöveti mikroarray-ek vizsgálatán keresztül
Title in English Mass spectrometry based identification of prostate cancer biomarkers from tissue microarrays
Keywords in Hungarian tömegspektrometria, glükózaminoglikán, glikopeptid, prosztata daganat, nanoLC-MS(MS), szöveti mikroarray
Keywords in English mass spectrometry, glycosaminoglycan, glycopeptide, prostate cancer, nanoLC-MS(MS), tissue microarray
Discipline
Cancer and its biological basis (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Ortelius classification: Oncology
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)40 %
Ortelius classification: Instrumental analysis
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)20 %
Ortelius classification: Histochemistry
Panel Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology
Department or equivalent Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Vékey, Károly
Starting date 2016-12-01
Closing date 2021-05-31
Funding (in million HUF) 15.087
FTE (full time equivalent) 2.80
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat elsődleges célja fejlett nano LC-MS(MS) technikák kidolgozása glikomikai és proteomikai mintázatok szövetfelületekről történő megbízható vizsgálatára, továbbá a munkafolyamat prosztatarák szöveti mikroarray-ekre (TMA) történő alkalmazása. Ez lehetővé tenné a molekuláris szinten bekövetkező változások összekapcsolását a különböző daganatos stádiumokkal, valamint tumor besorolásokkal. A fő célpontok az N-glikoproteinek és glükózaminoglikánok, amelyek sok betegséghez köthetőek, de szerkezetük kevéssé vizsgált. A jelen pályázat a vezetőkutató korábbi (magyarországi és közelmúltbeli egyesült államokbeli) glikánok és GAG-ok fejlett tömegspektrometriai eljárásokon alapuló szerkezetvizsgálati munkáira, valamint szövetekkel és multienzim emésztési protokollok kidolgozásával kapcsolatos tapasztalataira épül. A TMA-k orvosi munkafolyamatokban történő alkalmazása gyorsan terjed, fő kihívása a korlátozott mintamennyiség (1.5 mm átmérőjű szövetterület). A tervezett kutatás nagy része a glikánok emésztésének, kivonásának, nanoméretű elválasztásának és MS vizsgálatának módszerfejlesztésén alapul. A nanoméretű elválasztás érzékenységének növelése céljából kapilláris oszlopok töltése szükséges különleges töltettel, mely a glikánok gyenge anioncserén és hidrofill interakciós folyadékkromatográfián alapuló elválasztását teszi lehetővé. Amint a különböző molekula osztályok (GAG-ok, glikopeptidek és peptidek) emésztési termékeinek azonosításához szükséges módszerek elkészültek, lehetővé válik a prosztatarák TMA-k vizsgálata számos betegtől származó szövetterületen, akárcsak statisztikai modellek építése a betegség előrehaladásával kapcsolatos jelentős változások felderítésére.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A hipotézis két fontos alappilléren nyugszik. Az első, hogy számos patológiai betegség általabán nem csak egy molekula típus elváltozását foglalja magában. Éppen ezért ezen változások egyidejű vizsgálata elősegítheti a háttérben zajló biokémiai folyamatok megértését. A pályázat tehát olyan analitikai módszer kidolgozására fókuszál, mely lehetővé teszi több molekula típus (glükozaminoglikán, glikopeptid és peptid) vizsgálatát ugyanazon szövetterületről megbízható prosztatarák biomarkerek azonosítása céljából. A második koncepció a rendkívül kicsi szövetterületek vizsgálatával kapcsolatos, melyek számos előnyt hordoznak magukban a nagy mennyiségű szövetekkel szemben. Ez szöveti mikroarray-ek (TMA) vizsgálatával valósítható meg, melyek számos betegtől származó biopsziát tartalmaznak sorba rendezve. Az egyes betegektől származó szövetek 2 mm átmérőnél kisebbek. A múltban ezen TMA-k vizsgálata immunohisztokémiával történt. A pályázat célja ezen TMA-k alkalmazásának bővítése a különböző molekula típusok szövetfelületen történő emésztést és extrakciót követő tömegspektrometrián alapuló szerkezetvizsgálatára. Ez lehetővé tenné a molekula típusok és különböző klinikai stádiumok és tumor osztályok közötti egyidejű változások nagy hatékonyságú felfedezését.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás jelentősége a tömegspektrometrián alapuló daganat biomarker kutatás elősegítése daganatos szöveti mikroarray-ek vizsgálatának bevonásával, valamint megbízható módszerek fejlesztése különböző molekula típusok szövetfelületről történő vizsgálatára és mennyiségi meghatározására. Amint a glükozaminoglikánok (GAG), glikopeptidek és peptidek tömegspektrometrián alapuló analitikai vizsgálatára szolgáló módszerek standardizáltak, lehetővé válik a különféle daganatos szöveti mikroarray-ek retrospektív vizsgálata. Ez nagyban elősegítheti a daganat kutatásban új biomarkerek azonosítását, melyek ezt követően validálhatóak párhuzamos TMA metszeteken immunohisztokémiai eljárásokkal, mint például a Western Blot. A biomarker jóváhagyását követően a TMA-k nagy áteresztőképességű szűrése válik lehetővé. Ez utóbbi cél elérése érdekében számos kezdeti nehézség áthidalása szükséges. Az első a glikán mintázatok kis szövetterületről történő meghatározásával kapcsolatos. Ez nagy érzékenységű kromatográfiás elválasztást igényel, saját kezűleg töltött kapilláris oszlopokon. A második nehézség a glikoproteinek közvetlen szöveten történő helyspecifikus N-glikozilációs mintázatának meghatározása. A vezetőkutató bostoni egyetemen szerzett tapasztalatai nélkülözhetetlenek a pályázat sikere szempontjából. A GAG-ok számos betegség patológiájában játszanak fontos szerepet, vizsgálatuk azonban analitikai szempontból kihívás. A vezetőkutató tapasztalata az ilyen kis mennyiségű GAG-ok analitikai vizsgálatában egyedülálló képesség nem csak Magyarországon, hanem Európán belül is, mely lehetővé teszi új együttműködések megvalósulását.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A daganatos megbetegedések a fejlett világ vezető halál okai közé tartoznak. A daganat kialakulásához vezető rendellenességek molekuláris szinten történő felfedezései nélkülözhetetlenek a kezelés és diagnózis új stratégiáinak kidolgozása szempontjából. Ez történhet szövet biopsziák különböző analitikai eljárásokkal történő vizsgálatát követően, melyek új biomarkerek felfedezéséhez vezethetnek. A pályázat keretében új tömegspektrometrián alapuló módszereket fogok kidolgozni, mely az egyik kulcs technika a kémiai és orvosi kutatások előterében. A szövet biopsziák sormintában történő felhasználásának kiaknázása egy másik eredeti elképzelés. A két módszer kombinálása új igéretet nyújt a korai diagnózisban, tumor besorolásban és a daganatos betegség kialakulásának megértésében
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main aim of the proposal is to develop advanced nanoLC-MS(MS) techniques to reliably detect glycomics and proteomics molecular signatures from histological tissue surfaces and to apply the workflow for the analysis of prostate cancer tissue microarrays (TMAs). This would allow linking the observed changes at the molecular level to different cancer stages and tumor grades. The main targets are N-glycoproteins and glycosaminoglycans; which are linked to many diseases, but their structural features are relatively rarely studied. The current proposal builds on the PI’s prior work (both in Hungary and recently in the US) on structural studies of glycans and GAGs using advanced mass spectrometric (MS) techniques; on her experience working with tissue samples and developing multienzyme digestion protocols. Using TMAs in biomedical workflows is fast developing; the main challenge is the limited amount of sample available (1.5 mm diameter cores). For this reason a main part of the research planned involves method development on digestion, extraction, nanoscale separation and MS analysis of glycans. In order to enhance sensitivity of nanoscale separations capillary columns will be packed in house with a specific resin that allows separation of glycans based on both weak anion-exchange and hydrophilic interaction liquid chromatography retention mechanisms. Once reliable methods are available for detection of enzymatic products of the different compound classes (GAGs, glycopeptides and peptides) prostate cancer TMAs containing several patient cores will be analyzed and statistical models will be built to find changes significant with regards to disease progression.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The hypothesis builds on two important concepts. The first is that several pathological diseases generally involve abnormalities of not only one compound class. Therefore detecting simultaneous changes of these can broaden our understanding of the underlying biochemical processes. The proposal will thus focus on developing analytical methods to analyze multiple compound classes (glycosaminoglycans, glycopeptides and peptides) from the same tissue area as an attempt to identify reliable biomarkers of prostate cancer. The second concept is related to the analysis of discrete tissue regions, which holds great advantage and promise over bulk tissues. This can be achieved by analyzing tissue microarrays which contain biopsies of several patients organized in an array format. The size of the cores is not larger than 2 mm in diameter. In the past these TMAs have predominantly been studied by immunohistochemistry. The proposal aims to expand the use of these cancer TMAs by performing mass spectrometry based compositional analysis following on surface enzymatic digestion and extraction of the different compound classes. This would allow discovering simultaneous changes of molecular components in various clinical stages and tumor grades of cancer in a high throughput manner.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The perspective of this research is to enhance mass-spectrometry based cancer biomarker research by involving the analysis of cancer tissue microarrays and developing methods for the reliable detection and quantitation of multiple compound classes from tissue surfaces. Once the mass spectrometry based analytical methods for analyzing glycosaminoglycans (GAGs), glycopeptides and peptides from tissue microarray cores are standardized different types of cancer tissue microarrays can be analyzed retrospectively. This will greatly enhance identification of new biomarkers in cancer research, which can be further validated using immunohistochemical techniques such as Western Blot on a parallel TMA sections. After a biomarker has been approved high throughput screening of TMAs becomes possible. To achieve this future goal many initial difficulties need to be solved. The first is related to detecting glycan signatures from such small tissue areas. This will require high sensitivity chromatography separation using self-packed capillary columns. The second is the identification of site-specific N-glycosylation profile of glycoproteins directly from these tissues. The experience that the PI obtained during her postdoctoral time spent at Boston University is essential for the success of the proposal. GAGs are responsible for several pathological abnormalities but their analysis is challenging from an analytical point of view. The experience of the PI in analyzing very small amounts of GAGs is a unique capability not only in Hungary, but in Europe as well; opening possibilities for international collaborations.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Cancer is among the leading causes of death in the developed world. Identifying anomalies at the molecular level leading to cancer is essential to develop new strategies for treatment and for diagnosis. This may be achieved by analyzing tissue biopsies using different analytical techniques, which may lead to novel biomarkers. In the project I will develop novel analytical techniques based on mass spectrometry, one of the key technologies in the forefront of chemical and biomedical research. Utilizing tissue biopsies arranged in an array format is another novel concept. Combination of these two approaches promises a new horizon for early diagnosis, tumor classification and understanding cancer development.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kutatásom célja korszerű nanoUHPLC-MS(MS) technikák kidolgozása és alkalmazása volt formalin-fixált, paraffinba ágyazott prosztata szövetek felületéről kivont peptidek, N-glikopeptidek és glükózaminoglikánok vizsgálatára. A daganat kialakulásához vezető rendellenességek molekuláris szinten történő felfedezése nélkülözhetetlen a kezelés és diagnózis új stratégiáinak kidolgozása szempontjából. A kutatás során több olyan analitikai módszert is fejlesztettünk és integráltunk munkafolyamatainkba, amelyek a terület vezető szaklapjaiban kerültek publikálásra. A fejlesztett módszerek lehetővé tették néhány mm2-es szöveti régiók átfogó glikomikai és proteomikai jellemzését. Vizsgálataink során számos új eredménnyel gazdagítottuk a prosztatarák során bekövetkező molekuláris változásokkal kapcsolatos ismereteket. Például, a különböző kockázati csoportba tartozó prosztatarákos és jóindulatú prosztatamegnagyobbodással rendelkező betegek elkülöníthetők a szövetminták kondroitin-szulfát tartalma és szulfatációs mintázata alapján. Egészséges és különböző grádusba tartozó rákos prosztata szöveti mikrometszetek vizsgálata során azonosításra kerültek a különböző mintacsoportok közti molekuláris különbségek mind a fehérjeexpresszió, mind a hely-specifikus N-glikoziláció tekintetében. A kutatásaink során azonosított biomarker jelöltek nem-invazív úton (pl. vérplazma, vizelet) történő detektálása jövőbeli kutatásokhoz fontos alapot képez.
Results in English
The aim of the research was to develop and apply state-of-the-art nanoUHPLC-MS(MS) methods for analyzing peptides, N-glycopeptides and glycosaminoglycans extracted from the surface of formalin fixed, paraffin-embedded prostate tissues. Identifying anomalies at the molecular level leading to cancer is essential to develop new strategies for treatment and diagnosis. Several analytical methods were developed and integrated into our workflows during the course of the research; all of them have been published in leading scientific journals of the field. Using the developed methods, detailed proteomic and glycomic characterization of tissue areas corresponding to few mm2 became feasible. Our new discoveries improved the understanding of molecular alterations occurring during prostate cancer. For example, benign prostate hyperplasia patients and prostate cancer patients belonging to different risk groups could be distinguished based on the chondroitin sulfate content and sulfation pattern of the tissue samples. Molecular alterations were identified with respect to protein expression levels and site-specific N-glycosylation in the case of healthy and cancerous prostate biopsies belonging to different grades. The biomarker candidates identified in our studies can pave the way for future research aiming for their non-invasive detection (e.g. blood plasma, urine).
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=121187
Decision
Yes





 

List of publications

  
Sugár Simon, Tóth Gábor, Bugyi Fanni, Vékey Károly, Karászi Katalin, Drahos László, Turiák Lilla: Alterations in protein expression and site-specific N-glycosylation of prostate cancer tissues, SCIENTIFIC REPORTS 11: (1) 15886, 2021
Tóth Gábor, Pál Domonkos, Vékey Károly, Drahos László, Turiák Lilla: Stability and recovery issues concerning chondroitin sulfate disaccharide analysis, ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY, 2021
Tóth Gábor, Vékey Károly, Drahos László, Horváth Viola, Turiák Lilla: Salt and solvent effects in the microscale chromatographic separation of heparan sulfate disaccharides., JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A 1610: 460548, 2020
Tóth Gábor, Vékey Károly, Sugár Simon, Kovalszky Ilona, Drahos László, Turiák Lilla: Salt gradient chromatographic separation of chondroitin sulfate disaccharides, JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A 1619: 460979, 2020
Turiák Lilla, Sugár Simon, Ács András, Tóth Gábor, Gömöry Ágnes, Telekes András, Vékey Károly, Drahos László: Site-specific N-glycosylation of HeLa cell glycoproteins, SCIENTIFIC REPORTS 9: (1) 14822, 2019
Turiák L, Ozohanics O, Tóth G, Ács A, Révész Á, Vékey K, Telekes A, Drahos L.: High sensitivity proteomics of prostate cancer tissue microarrays to discriminate between healthy and cancerous tissue., J Proteomics. 2018 Nov 12. pii: S1874-3919(18)30399-3., 2018
Turiák L, Ozohanics O, Tóth G, Ács A, Révész Á, Vékey K, Telekes A, Drahos L.: High sensitivity proteomics of prostate cancer tissue microarrays to discriminate between healthy and cancerous tissue., J Proteomics. 2018 Nov 12. pii: S1874-3919(18)30399-3., 2018
Ács A, Ozohanics O, Vékey K, Drahos L, Turiák L.: Distinguishing Core and Antenna Fucosylated Glycopeptides Based on Low-Energy Tandem Mass Spectra., Anal Chem. 2018 Nov 6;90(21):12776-12782, 2018
Turiák L, Tóth G, Ozohanics O, Révész Á, Ács A, Vékey K, Zaia J, Drahos L.: Sensitive method for glycosaminoglycan analysis of tissue sections., J Chromatogr A. 2018 Apr 6;1544:41-48., 2018
Ács A, Ozohanics O, Vékey K, Drahos L, Turiák L.: Distinguishing Core and Antenna Fucosylated Glycopeptides Based on Low-Energy Tandem Mass Spectra., Anal Chem. 2018 Nov 6;90(21):12776-12782, 2018
Turiák L, Ozohanics O, Tóth G, Ács A, Révész Á, Vékey K, Telekes A, Drahos L.: High sensitivity proteomics of prostate cancer tissue microarrays to discriminate between healthy and cancerous tissue., J Proteomics. 2018 Nov 12. pii: S1874-3919(18)30399-3., 2018
Turiák L, Tóth G, Ozohanics O, Révész Á, Ács A, Vékey K, Zaia J, Drahos L.: Sensitive method for glycosaminoglycan analysis of tissue sections., J Chromatogr A. 2018 Apr 6;1544:41-48., 2018
Turiák Lilla, Ozohanics Oliver, Tóth Gábor, Ács András, Révész Ágnes, Vékey Károly, Telekes András, Drahos László: High sensitivity proteomics of prostate cancer tissue microarrays to discriminate between healthy and cancerous tissue, Journal of Proteomics, 2018
Ács András, Ozohanics Oliver, Vékey Károly, Drahos László, Turiák Lilla: Distinguishing Core and Antenna Fucosylated Glycopeptides Based on Low-Energy Tandem Mass Spectra, Analytical Chemistry, 2018
Turiák Lilla, Sugár Simon, Ács András, Gömöry Ágnes, Vékey Károly, Drahos László: Dúsítási módszer komplex fehérjekeverék glikozilációs mintázatának meghatározására, http://www.vandorgyules.mett.hu/tudomanyos-program, 2018
Turiák Lilla, Tóth Gábor, Ács András, Révész Ágnes, Vékey Károly, Drahos László: Integrated Proteomics and Glycomics of Prostate Cancer Tissue Microarrays, http://www.balaton.mett.hu/program_flip/FinalProgram2017_smart.pdf, 2017
Turiák Lilla, Révész Ágnes, Ács András, Vékey Károly, Drahos László: PROTEOMIC AND GLYCOMIC CHARACTERIZATION OF PROSTATE CANCER TISSUE MICROARRAYS, https://imms2017aussois.sciencesconf.org/data/pages/Program_IMMS_2017VF2.pdf, 2017
Turiák Lilla, Tóth Gábor, Révész Ágnes, Ács András, Vékey Károly, Drahos Láaszló: Nanoscale analysis of prostate cancer tissue microarrays, http://7thbbbb.com/wp-content/uploads/2017/09/final_scientific_program_20170929.pdf, 2017
Turiák Lilla, Tóth Gábor, Ozohanics Oliver, Révész Ágnes, Ács András, Vékey Károly, Zaia Joseph, Drahos László: Sensitive method for glycosaminoglycan analysis of tissue sections, Journal of Chromatography A, 2018
Tóth Gábor, Sugár Simon Nándor, Pál Domonkos, Fügedi Kata Dorina, Szarvas Tibor, Drahos László, Kovalszky Ilona, Turiák Lilla: Glükózaminoglikánok változásai jóindulatú prosztata megnagyobbodásban és prosztatarákban, https://mett25.hu/tudomanyos-program/, 2021



Back »