Диагностика заболеваний легких на основе протеомного анализа конденсата выдыхаемого воздуха

Исследование конденсата выдыхаемого воздуха (КВВ) является неинвазивным методом диагностики заболеваний органов дыхания. Протеомный анализ КВВ – перспективный метод диагностики, позволяющий понять патологические механизмы и выявить различные фенотипы легочных заболеваний. Цель. Сравнительное изучение белкового спектра КВВ у здоровых добровольцев и пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), пневмонией и немелкоклеточным раком легкого (НМРЛ), а также оценка возможности использования протеомного анализа КВВ для диагностики и дифференциальной диагностики этих заболеваний. Материалы и методы. Обследованы лица с ХОБЛ (n = 18), внебольничной пневмонией (n = 13), НМРЛ (n = 26) и здоровые некурящие добровольцы (n = 24). КВВ собран стандартизованным методом с помощью аппарата ECoScreen (Viasys Healthcare, Германия). Лиофилизированные и подвергнутые гидролизу трипсином образцы КВВ проанализированы с помощью нанопоточной высокоэффективной жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии. Для поиска и идентификации белков использованы предоставленные Европейским институтом биоинформатики базы данных Mascot (Matrix Science, Великобритания) и IPI-human (version 3.82). Результаты. При протеомном анализе КВВ обследованных доноров 4 групп выявлено > 300 различных белков, бoльшую часть которых составляют цитоскелетные кератины I и II типов. Отмечено значительно более высокое содержание некоторых кератинов (5, 6 и 14) в образцах КВВ больных НМРЛ по сравнению с таковым у здоровых добровольцев. В КВВ у здоровых добровольцев, а также у больных ХОБЛ и пневмонией идентифицированы дермцидин, иммуноглобулин-α, кининоген, цитоплазматический актин, сывороточный альбумин, цинк-α2-гликопротеин. Высокое содержание пероксиредоксина в КВВ у больных ХОБЛ указывает на выраженный окислительный стресс. В образцах КВВ у пациентов с пневмонией обнаружен высокий уровень белков острой фазы воспаления и гипоксии (аннексины A1 и A2, HSP90B, цистатины М и В, фрагменты коллагенов и гистонов). В КВВ у больных НМРЛ определены β- и α-субъединицы гемоглобина, ядерный убиквитиновый казеин, POTEE, белки группы высокой мобильности (HMG-I / HMG-Y), лактоферрин. Заключение. В образцах КВВ у здоровых людей, больных ХОБЛ, пневмонией и НМРЛ обнаружен характерный белковый спектр. Большинство выявленных белков могут быть предложены в качестве панели для диагностики указанных заболеваний.

1. Konstantinidi E.M., Lappas A.S., Tzortzi A.S., Behrakis P.K. Exhaled Breath Condensate: Technical and Diagnostic Aspects. Scientific World Journal. 2015; 2015: 435160. https://doi.org/10.1155/2015/435160.

2. Borrill Z.L., Roy K., Singh D. Exhaled breath condensate biomarkers in COPD. Eur. Respir. J. 2008; 32 (2): 472-486. https://doi.org/10.1183/09031936.00116107.

3. Bloemen K., Hooyberghs J., Desager K. et al. Non-invasive biomarker sampling and analysis of the exhaled breath proteome. Proteomics Clin. Appl. 2009; 3 (4): 498-504. https://doi.org/10.1002/prca.200800095.

4. Lin J.L., Bonnichsen M.H., Nogeh E.U. et al. Proteomics in detection and monitoring of asthma and smoking-related lung diseases. Exp. Rev. Proteomics. 2010; 7 (3): 361-372. https://doi.org/10.1586/epr.10.9.

5. Lim M.Y., Thomas P.S. Biomarkers in exhaled breath condensate and serum of chronic obstructive pulmonary disease and non-small-cell lung cancer. Int. J. Chronic Dis. 2013; 2013: 578613. https://doi.org/10.1155/2013/578613.

6. Nobakht M. Gh B.F., Aliannejad R., Rezaei-Tavirani M. et al. The metabolomics of airway diseases, including COPD, asthma and cystic fibrosis. Biomarkers. 2015; 20 (1): 5-16. https://doi.org/10.3109/1354750X.2014.983167.

7. Terracciano R., Pelaia G., Preiano M., Savino R. Asthma and COPD proteomics: current approaches and future directions. Proteomics Clin. Appl. 2015; 9 (1-2): 203-220. https://doi.org/10.1002/prca.201400099.

8. Czitrovszky A., Szymanski W., Nagy A., Jani P. A new method for the simultaneous measurement of particle size, complex refractive index and particle density. Meas Sci. Technol. 2002; 13: 303-308.

9. Horvath I., Lazar Z., Gyulai N. et al. Exhaled biomarkers in lung cancer. Eur. Respir. J. 2009; 34 (1): 261-275. https://doi.org/10.1183/09031936.00142508.

10. Lee Y.T., Chen S.C., Shyu L.Y. et al. Significant elevation of plasma cathepsin B and cystatin C in patients with community-acquired pneumonia. Clin. Chim. Acta. 2012; 413 (5-6): 630-635. https://doi.org/10.1016/j.cca.2011.12.010.

11. Buszewski B., Kesy M., Ligor T., Amann A. Human exhaled air analytics: biomarkers of diseases. Biomed Chromatogr. 2007; 21 (6): 553-566.

12. Conrad D.H., Goyette J., Thomas P.S. Proteomics as a method for early detection of cancer: a review of proteomics, exhaled breath condensate, and lung cancer screening. J. Gen. Intern. Med. 2008; 23 (Suppl. 1): 78-84. https://doi.org/10.1007/s11606-007-0411-1.

13. Horvath I., Hunt J., Barnes P.J. Exhaled breath condensate: methodological recommendations and unresolved questions. Eur. Respir. J. 2005; 26 (3): 523-548.

14. Глобальная стратегия диагностики, лечения и профилактики хронической обструктивной болезни легких. Пересмотр 2014 года. Доступно на: http://goldcopd.org/wp-content/uploads/2016/04/GOLD-Report-Russian2014.pdf

15. Чучалин А.Г., Синопальников А.И., Козлов Р.С. и др. Российское респираторное общество (РРО). Межрегиональная ассоциация по клинической микробиологии и антимикробной химиотерапии (МАКМАХ). Клинические рекомендации по диагностике, лечению и профилактике тяжелой внебольничной пневмонии у взрослых. Пульмонология. 2014; (4): 13-48.

16. Бычков М.Б., Горбунова В.А. Ассоциация онкологов России. Клинические рекомендации по диагностике и лечению больных раком легкого. М.; 2014. Доступно на: http://oncology-association.ru/docs/recomend/may2015/19vz-rek.pdf

17. Kurova V., Anaev E., Kononikhin A. et al. Proteomics of exhaled breath: methodological nuances and pitfalls. Clin. Chem. Lab. Med. 2009; 47 (6): 706-712. https://doi.org/10.1515/CCLM.2009.166.

18. Ishihama Y., Rappsilber J., Andersen J.S., Mann M. Microcolumns with self-assembled particle frits for proteomics. J. Chromatogr. A. 2002; 979 (1-2): 233-239.

19. Nesvizhskii A., Keller A., Kolker E., Aebersold R. A statistical model for identifying proteins by tandem mass spectrometry. Anal. Chem. 2003; 75 (17): 4646-4658.

20. Hoffmann H., Tabaksblat L., Enghild J., Dahl R. Human skin keratins are the major proteins in exhaled breath condensate. Eur. Respir. J. 2008; 31 (2): 380-384. https://doi.org/10.1183/09031936.00059707.

21. Schittek B., Hipfel R., Sauer B. et al. Dermcidin: a novel human antibiotic peptide secreted by sweat glands. Nat. Immunol. 2001; 2 (12): 1133-1137.

22. Ghosh R., Maji U.K., Bhattacharya R., Sinha A.K. The role of dermcidin isoform 2: a two-faceted atherosclerotic risk factor for coronary artery disease and the effect of acetyl salicylic acid on it. Thrombosis. 2012; 2012: 987932. https://doi.org/10.1155/2012/987932.

23. Lee Motoyama J.P., Kim-Motoyama H., Kim P. et al. Identification of dermcidin in human gestational tissue and characterization of its proteolytic activity. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2007; 35 7(4): 828-833.

24. Cunningham T.J., Hodge L., Speicher D. et al. Identification of a survival-promoting peptide in medium conditioned by oxidatively stressed cell lines of nervous system origin. J. Neurosci. 1998; 18: 7047-7060.

25. Stewart G.D., Skipworth R.J., Pennington C.J. et al. Variation in dermcidin expression in a range of primary human tumours and in hypoxic/oxidatively stressed human cell lines. Br. J. Cancer. 2008; 99 (1): 126-132. https://doi.org/10.1038/sj.bjc.6604458.

26. Yano C.L., Ventrucci G., Field W.N. et al. Metabolic and morphological alterations induced by proteolysis-inducing factor from Walker tumour-bearing rats in C2C12 myotubes. BMC Cancer. 2008; 8: 24. https://doi.org/10.1186/1471-2407-8-24.

27. Urade Y., Hayaishi O. Prostaglandin D synthase: Structure and function. Vitam. Horm. 2000; 58: 89-120.

28. Mizon C., Piva F., Queyrel V. et al. Urinary bikunin determination provides insight into proteinase / proteinase inhibitor imbalance in patients with inflammatory diseases. Clin. Chem. Lab. Med. 2002; 40 (6): 579-586.

29. Leclerc E.A., Gazeilles L., Serre G. et al. The ubiquitous dermokine delta activates Rab5 function in the early endocytic pathway. PLoS One. 2011; 6 (3): e17816. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0017816.

30. Hasegawa M., Higashi K., Yokoyama C. et al. Altered expression of dermokine in skin disorders. J. Eur. Acad. Dermatol. Venereol. 2013; 27 (7): 867-875. https://doi.org/10.1111/j.1468-3083.2012.04598.x.

31. Kinnula V.L., Vuorinen K., Ilumets H. et al. Thiol proteins, redox modulation and parenchymal lung disease. Curr. Med. Chem. 2007; 14 (2): 213-222.

32. Poschmann G., Sitek B., Sipos B. et al. Identification of proteomic differences between squamous cell carcinoma of the lung and bronchial epithelium. Mol. Cell Proteomics. 2009; 8 (5): 1105-1116. https://doi.org/10.1074/mcp.M800422MCP200.

33. Spik I., Brenuchon C., Angeli V. et al. Activation of the prostaglandin D2 receptor DP2/CRTH2 increases allergic inflammation in mouse. J. Immunol. 2005; 174 (6): 3703-3708.

34. Wei N., Deng X.W. The COP9 signalosome. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2003; 19: 261-286. https://doi.org/10.1146/annurev.cellbio.19.111301.112449.

35. Wang Q., Li X., Ren S. et al. Serum levels of the cancertestis antigen POTEE and its clinical significance in nonsmall-cell lung cancer. PLoS One. 2015; 10 (4): e0122792. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0122792.

36. Wood L., Maher J., Bunton T., Resar L. The oncogenic properties of the HMG-I gene family. Cancer Res. 2000; 60 (15): 4256-4261.

37. Resar L. The high mobility group A1 gene: transforming inflammatory signals into cancer? Cancer Res. 2010; 70 (2): 436-439. https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-09-1212.

38. Walmer D., Padin C., Wrona M. et al. Malignant transformation of the human endometrium is associated with overexpression of lactoferrin messenger RNA and protein. Cancer Res. 1995; 55: 1168-1175.

39. Ziolkowski P., Wozniak M., Dus K., Wisniewski J. The NUCKS: A novel tumor biomarker. J. Mol. Biomark. Diagn. 2013; 4 (145): 1000145.