Ricerca di biomarker nella broncopneumopatia cronica ostruttiva e nel diabete tipo 2 utilizzando la Multiple Reaction Monitoring - Mass Spectrometry

Abstract

Un biomarker è una caratteristica biologica che viene oggettivamente misurata e valutata come un indicatore dei processi biologici o patologici o come una risposta ad un intervento terapeutico. I biomarker nella ricerca di base e applicata e nella pratica clinica sono diventati così comuni che la loro presenza negli studi clinici è ora accettata quasi senza dubbio. Nel caso di biomarker specifici, che sono stati ben caratterizzati e ripetutamente verificati nel prevedere correttamente i risultati clinici rilevanti all’interno di una varietà di trattamenti e popolazioni, questo utilizzo è completamente giustificato e appropriato. La Multiple Reaction Monitoring-Mass Spectrometry (MRM-MS) sfrutta la capacità unica di tre quadrupoli di agire come filtri di massa e di monitorare selettivamente uno specifico ione molecolare dell'analita e uno o più ioni- frammento generati dall'analita mediante dissociazione collisiva. L'alta sensibilità e selettività permettono la quantificazione del peptide e l'identificazione del biomarker in campioni biologici complessi. La BroncoPneumopatia Cronica Ostruttiva (BPCO) provoca distruzione tissutale nei polmoni dei pazienti e problemi di respirazione, portandoli infine a morte per insufficienza respiratoria. Oggi non sono disponibili né trattamenti né metodi diagnostici. Il numero crescente di pazienti con BPCO ha aumentato la necessità di terapia e l'identificazione di un biomarker, in particolare per prevenire le esacerbazioni acute della BPCO (EABPCO). EABPCO è stata associata ad un accelerato declino della funzionalità polmonare, alla diminuzione la qualità della vita e all’aumento della morbilità e mortalità. L’istone 3.3 (H3.3) è elevato nell'ambiente extracellulare nel polmone e nel fluido broncoalveolare. Inoltre, le trappole extracellulari neutrofili (NETs) rilasciano H3.3 durante l'EABPCO. Insieme, questi dati suggeriscono che è probabile che H3.3 sia elevato nel plasma durante EABPCO e presumibilmente sia correlato con il numero di esacerbazioni e la progressione della malattia. Il confronto del peptide di H3.3, in pazienti non fumatori e in pazienti con diverse categorie GOLD e con diversi numeri di esacerbazioni l'anno, ha mostrato una correlazione con lo stato della patologia che ha reso H3.3 un biomarker promettente per la BPCO come specchio di distruzione dei polmoni. La resistenza all'insulina legata all'obesità aumenta notevolmente il rischio per il diabete di tipo 2 (T2D). La conoscenza di come l'obesità promuova la resistenza all'insulina rimane incompleta. Nel tessuto adiposo lo stress ossidativo provoca un'estesa ossidazione e carbonilazione di numerose proteine, compresa la carbonilazione di GLUT4 (GLUT4-HNE) vicino al canale di trasporto del glucosio, che probabilmente provoca la perdita di attività GLUT4. La differenza significativa del livello di GLUT4-HNE tra i soggetti obesi non- diabetici e i soggetti obesi pre-diabetici e diabetici, in diversi sottotipi di tessuto grasso, suggerisce che l'evento iniziale di T2D è causato da uno stress ossidativo che produce GLUT4-HNE causando insulino-resistenza. Questi risultati suggeriscono GLUT4-HNE come biomarker precoce per la sindrome di resistenza all'insulina e la progressione a T2D. Lo stesso andamento di GLUT4-HNE si trova nel tessuto adiposo murino, infatti, i topi ob/ob e HFD hanno una quantità maggiore di GLUT4-HNE rispetto ai topi di controllo. Inoltre, ipotizziamo che l'esercizio fisico riduce la quantità di GLUT4-HNE. Il topo potrebbe essere, perciò, un buon modello per lo studio Diet Induced Obesity incluso l'analisi GLUT4-HNE, consentendo di sperimentare in futuro altri farmaci o trattamenti alternativi o coadiuvanti l’insulina.

A biomarker is a biological characteristic that is objectively measured and evaluated as an indicator of biological or pathological processes or as a response to a therapeutic intervention. Biomarkers in basic and applied research as well as in clinical practice have become so common that their presence in clinical trials is now accepted almost without question. In the case of specific biomarkers, that have been well characterized and repeatedly shown to correctly predict relevant clinical outcomes across a variety of treatments and populations, this use is entirely justified and appropriate. Multiple Reaction Monitoring-Mass Spectrometry (MRM-MS) exploits the unique capability of three quadrupoles to act as mass filters and to selectively monitor a specific molecular ion of the analyte and one or several fragment ions generated from the analyte by collisional dissociation. High sensitivity and selectivity allow peptide quantification and biomarker identification in complex biological samples. Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) causes tissue destruction in lungs of patients and breathing problems, leading finally to death for insufficient respiratory ability. No treatment or diagnostic methods are available nowadays. The increasing number of patients with COPD has raised the need for therapy and the identification of a biomarker, in particular to prevent Acute Exacerbations of COPD (AECOPD). AECOPD has been associated with an accelerated decline in pulmonary function, a decrease in quality of life and an increase in morbidity and mortality. Histone 3.3 (H3.3) is elevated in the extracellular milieu in the lung and in the bronchoalveolar fluid. Also, neutrophil extracellular traps (NETs) release H3.3 during AECOPD. Collectively these data suggest that H3.3 is likely to be elevated in the plasma during AECOPD and is probably related to the number of exacerbations and the progression of the disease. Comparison of peptide of H3.3, in non-smoker and different GOLD stage patients with different number of exacerbation per year, showed a correlation with the state of the pathology making H3.3 a promising biomarker for COPD as a mirror of lungs destruction. Obesity-linked insulin resistance greatly increases the risk for type 2 diabetes (T2D). Knowledge of how obesity promotes insulin resistance remains incomplete. In adipose tissue oxidative stress causes the extensive oxidation and carbonylation of numerous proteins, including GLUT4 carbonylation (GLUT4-HNE) near the glucose transport channel, which likely results in loss of GLUT4 activity. The significant difference of GLUT4-HNE amount between obese non-diabetic and obese pre-diabetic and diabetic subjects, in different fat tissue subtypes, suggests that the initial T2D event is caused by an oxidative stress that produces GLUT4-HNE triggering insulin-resistance. These findings propose GLUT4-HNE as an early biomarker for insulin resistance syndrome and T2D progression. The same GLUT4-HNE trend is found in mice fat tissue, indeed, ob/ob and HFD mice have higher amount of GLUT4-HNE compared with control mice. In addition, we assume that physical exercise decreases the amount of GLUT4-HNE. The mouse could be, therefore, a good model for Diet Induced Obesity study including GLUT4-HNE analysis, making possible experimentations of other drugs or alternative insulin treatments in the future.