JP4405919B2 - アルツハイマー病の診断のためのバイオマーカー - Google Patents
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Description
アルツハイマー病は、65歳以上の人の痴呆全体の50〜60%を占める増加傾向にある神経変性の形態である。病態としては、アルツハイマー病の神経変性は、神経死とニューロンのシナプスの損失による皮質辺縁(corticolimbic)構造の顕著な萎縮と、神経原線維変化(NFT)の形成、および脳内のアミロイドβ1−42(Aβ42)凝集体の堆積物を含む老人斑の形成によって特徴付けられる[Francis PT 1999]。認識低下の進行が最初の兆候から死に至るまで約7年間継続する。発症期の前に、継続的なアミロイド班の堆積および神経原繊維変化の前発症期が15〜30年間あるとされている。疾患が発症し進行する年齢は、原因となる遺伝子の突然変異および遺伝的な罹患因子により大きく左右される。個人的な遺伝的危険因子に加え、いくつかの環境危険因子もあり得る。早期に発症する家族性アルツハイマー病に関係することが知られている遺伝因子は、プレセニリン1(PS1)、プレセニリン2(PS2)およびアミロイド前駆体タンパク質(APP)遺伝子の突然変異、およびアポリポタンパク質E4対立遺伝子の存在である。但し、大部分(95%)のアルツハイマー病は、弧発性であり、異質性である。
SELDI−TOF MS(Surface Enhanced LaserDesorption/Ionisation time of flight mass spectrometry)と称するプロテインチップ法が近年開発され、複合的生物学的混合物のタンパク質のプロフィリングが容易になった[Davies HA 2000, Fung ET 2001, Merchant M 2000]。
脳脊髄液(CSF)において1961年に最初に記載された。シスタチンC(γ−trace またはポスト−γグロブリン、Acc. No. P01034)は全てのヒトの体液中に生理学的に関係する濃度で存在する小さなシステインプロテアーゼ阻害物質である。シスタチンCの生理学的役割は、微生物の侵入あるいは死滅した細胞または病的な細胞からのリソソームプロテイナーゼの放出から生じる細胞外システインプロテアーゼ活性の調節のようである。シスタチンCは、アルツハイマー病の脳および大脳のアミロイド 血管障害において細動脈壁内でβ−アミロイド(AB)と共存する[Levy E2001]。これらは、3つの部位(2つはプロモーターにおける塩基対の変化であり、1つは単一のペプチドドメインにおいてアミノ酸置換を引き起こす(アラニンからトレオニンへ))で互いに相違する、シスタチンCのCST3遺伝コードの2つの共通のハプロタイプ(A and B)である。最近、症例対照研究により、晩年発症型アルツハイマー病の危険性の増大がCST3と関連していることが認められた[Crawford FC 2000, Finckh U 2000, Beyer K 2001]。
ベータ−2−ミクログロブリン(Acc. No. P01884)は、クラスI主要組織適合複合体(CMH)の小さい定常領域を構成するものであり、体液中のその存在は、膜タンパク質回転率と排出との間のバランスを示す。このペプチドは、免疫応答の上昇によって特徴付けられる疾患において増加するとみられるので、体液中のその定量は、in vivoでの免疫学的状態の有用な指標である[Hoekman et al 1985]。このタンパク質の機能は不明であるが、グリア細胞の破壊を伴う疾患に関わっているようである[Ernerudh et al 1987]。
VGF(ヒトVGF,Acc.-No. : 015240)は、神経細胞によって発現しプロセシングされる分泌性ペプチド前駆体である[Canu et al. 1997]。成体ラット大脳中枢神経系におけるin situハイブリダイゼーション試験により、VGFmRNAが脳全体に広く分布し、海馬、内膜皮質、および新皮質において顕著に発現することが明らかになった。さらに、VGF転写および分泌は、ニューロトロフィン様NGFおよびBDNFによって、およびin vivoの脱分極によって選択的にアップレギュレートされる。BDNF発現の増大は、アルツハイマー病が原因で早期に死滅すると見られる組織である海馬の歯状回とCA3領域において観察することができる。
本発明は、健康な対照群と比較した場合、アルツハイマー病を有する被験者では特定のポリペプチドの発現量が異なるという意外な知見に基づくものである。これらの発現量の異なるポリペプチドは、例えばアルツハイマー病であると診断された被験者の脳脊髄液の試料中で検出することができる。本発明の個々のポリペプチドは、単独でまたは本発明の他のポリペプチドと組み合わせて検出および/または定量することができる。
マーカー1(M1): 4824±20Da;
マーカー2(M2): 7691±20Da;
マーカー3(M3):11787±20Da;
マーカー4(M4):11988±20Da;
マーカー5(M5):13416±20Da。
本発明は、具体的には、
i)分子量4824±20Daのポリペプチド、
ii)分子量7691±20Daのポリペプチド、
iii)分子量11787±20Daのポリペプチド、
iv)分子量11988±20Daのポリペプチド、および
v)分子量13416±20Daのポリペプチド
からなるポリペプチドの群に含まれる少なくとも1つのポリペプチドの検出を含んでなる、被験者におけるアルツハイマー病の状態を判定する方法に関する。
本発明はさらに、前記ペプチドの群のうち、2、または3、または4、または5のポリペプチドが検出される、上記1の方法に関する。本発明はさらに、前記ペプチドの群のうち、2、または3、または4、または5、または10またはすべてのポリペプチドが検出される、上記1の方法に関する。
本発明はさらに、配列番号1、配列番号2、配列番号3、配列番号4、配列番号5、配列番号6、配列番号7、配列番号8、配列番号9、配列番号10、配列番号11、配列番号12、配列番号13、配列番号14、配列番号15、および/または配列番号16の配列を含む少なくとも1つのポリペプチドの検出を含む、被験者におけるアルツハイマー病の状態を判定する方法に関する。本発明はさらに、配列番号1、配列番号2、配列番号3、配列番号4、配列番号5、配列番号6、配列番号7、配列番号8、配列番号9、配列番号10、配列番号11、配列番号12、配列番号13、配列番号14、配列番号15、配列番号16、および/または配列番号17の配列を含む少なくとも1つのポリペプチドの検出を含む、被験者におけるアルツハイマー病の状態を判定する方法に関する。1つのそのようなポリペプチドの検出は、ほとんどの場合、アルツハイマー病を信頼性を持って診断するのに十分であるが、本発明の2またはそれ以上のポリペプチドの検出は本方法の感受性と信頼性を高め得る。好ましくは、前記ポリペプチドの1、2、3、4、5、10または全部を同じ試料から検出する。この検出はまた、好ましくは健康な被験者と比較してアルツハイマー病を有する被験者において発現量が異なる他のポリペプチドの検出と同時に行うことができる。
本発明はさらに、以下からなる群に含まれる少なくとも1つのポリペプチドの検出を含む、被験者におけるアルツハイマー病の状態を判定する方法に関する:
i)ヒトシスタチンC;
ii)ヒトβ−2−ミクログロブリン、
iii)ヒトミオグロビン(新規変異体)
iv)少なくとも5、8,10または20アミノ酸の、ヒトシスタチンCフラグメント
v)少なくとも5、8,10または20アミノ酸の、ヒトβ−2−ミクログロブリンフラグメント
vi)少なくとも5、8,10または20アミノ酸の、ヒトミオグロビン(新規変異体)フラグメント。
i)ヒトシスタチンC、
ii)ヒトβ−2−ミクログロブリン、
iii)ヒトミオグロビン(新規変異体)
iv)神経分泌タンパク質VGF
v)少なくとも5、8,10または20アミノ酸の、ヒトシスタチンCフラグメント
vi)少なくとも5、8,10または20アミノ酸の、ヒトβ−2−ミクログロブリンフラグメント
vii)少なくとも5、8,10または20アミノ酸の、ヒトミオグロビン(新規変異体)フラグメントおよび
viii)少なくとも5、8,10または20アミノ酸の、神経分泌タンパク質VGFフラグメント。
本発明はさらに、同一の被験者から得られた2つの別個の試料をについて上記1〜4のいずれかの方法を行うことを特徴とする、アルツハイマー病の進行を調べる方法に関する。この目的のために、種々の時点で被験者から採取した試料を分析する。各々のポリペプチドの量の変化によってその被験者におけるアルツハイマー病の進行についての結論付けが可能になる。
本発明はさらに、前記ポリペプチドの検出がSELDI−TOF MSによるものである、上記1〜5のいずれかの方法に関する。他の、適当な質量分析法および代わりの他の検出方法を用いることができる。より具体的には、本発明は、該ポリペプチドの検出がハイドロホビックH50、WCX2,またはIMAC表面をイオン化の後に支持体として用いる、SELDI−TOF MSによるものである。イオン化のための支持体の違いにより、目的の特定のタンパク質に対して異なる感受性が得られる。
本発明はさらに、特異的な抗体または前記ポリペプチドを認識する抗体を該ポリペプチドの検出に用いる、上記1〜5のいずれかの方法に関する。
本発明はさらに、前記被験者のCSFを含む試料における検出である上記1〜7の方法に関する。被験者から採取する試料は、採取後に即処理するか、まず凍結し、後で分析することができる。試料はまた、血液、血清、血漿、尿、精漿、乳頭液または細胞抽出液等のその他の体液から構成されていてもよいし、これを含有していてもよい。
本発明はさらに、分子量4824±20Daのポリペプチド、分子量7691±20Daのポリペプチド、分子量11787±20Daのポリペプチド、分子量11988±20Daのポリペプチド、分子量13416±20Daのポリペプチドを含むキットに関する。本発明はさらに、分子量4824±20Daのポリペプチド、分子量7691±20Daのポリペプチド、分子量11787±20Daのポリペプチド、分子量11988±20Daのポリペプチド、分子量13416±20Daのポリペプチドを含むキットに関する。本発明はさらに、分子量4824±20Daのポリペプチド、分子量7691±20Daのポリペプチド、分子量11787±20Daのポリペプチド、分子量11988±20Daのポリペプチド、分子量13416±20Daのポリペプチド、分子量4769±20Daのポリペプチド、分子量6958±20Daのポリペプチド、分子量6991±20Daのポリペプチド、分子量13412±20Daのポリペプチド、分子量13787±20Daのポリペプチド、分子量17276±20Daのポリペプチド、分子量40437±20Daのポリペプチド、分子量6895±20Daのポリペプチド、分子量6928±20Daのポリペプチド、分子量7691±20Daのポリペプチド、
分子量7769±20Daのポリペプチド、分子量7934±20Daのポリペプチド、
分子量5082±20Daのポリペプチド、分子量6267±20Daのポリペプチド、
分子量6518±20Daのポリペプチド、分子量7274±20Daのポリペプチド、
分子量8209±20Daのポリペプチドを含むキットに関する。このようなキットは、種々の目的に、例えば、上記方法のいずれかにおいて標準として使用するために、適用することができる。このキットは、前記ポリペプチドの2、5、10または全部を含むことができる。
本発明はさらに、少なくとも5アミノ酸のヒトシスタチンCフラグメント、少なくとも5アミノ酸のヒトβ−2−ミクログロブリンフラグメント、少なくとも5アミノ酸のヒトミオグロビンフラグメントを含むキットに関する。このキットは、種々の目的に、例えば、上記方法のいずれかにおいて標準として使用するために、適用することができる。本発明はさらに、少なくとも5、10または20アミノ酸のヒトシスタチンCフラグメント、少なくとも5、10または20アミノ酸のヒトβ−2−ミクログロブリンフラグメント、少なくとも5、10または20アミノ酸のヒトミオグロビンフラグメントおよび少なくとも5、10または20アミノ酸の神経分泌タンパク質VGFのフラグメントを含むキットに関する。これらのキットは、種々の目的に、例えば、上記方法のいずれかにおいて標準として使用するために、適用することができる。
ヒトの被験者におけるアルツハイマー病の診断は、National Institute of Neurologic and Communicative Disorders and Stroke Alzheimer's Disease and Related Disorders Association(NTNCDS-ADRDA)の診断基準に従った。アルツハイマー病群は9人の患者からなる(75±7歳、男性6人、女性3人)。健常者の対照群は10人で構成される(78±14歳、男性2人、女性8人、病歴なし、精神病あるいは神経系疾患の症状・兆候なし)。
SAX2プロテインチップアレイ(Ciphergen Biosystems, Fremont, CA, USA)を5μLの結合緩衝液(100mM 酢酸ナトリウムpH=4.0)で5分間平衡化した。緩衝液をハンカチーフで注意深く除き、2.5μLの結合緩衝液をウェルに加えた。粗製のCSF 試料(2.5μL)をウェルに加え、ロッキングプラットフォーム上、調湿チャンバー内で室温にて20分間インキュベーションした。CSFを取り出し、ウェルを10μLの結合緩衝液で5分間洗浄した。次いで、アレイを15mL容の円錐エッペンドルフに入れ、結合緩衝液で5分間2回洗浄した。最後に、チップを蒸留水で2回リンスした。過剰の水を除去し、表面が湿っている間、50%(vol/vol)のアセトニトリルおよび0.5%(vol/vol)トリフルオロ酢酸中のシナピン酸(SPA)(2mg/mL)0.5μLを各ウェルに2回加え、乾燥した。次いで、アレイをプロテインチップリーダーシステム、PBSIIシリーズ(Ciphergen Biosystems)で読み取った。レーザービームを真空中試料に照射した。これによりタンパク質がマトリックスに吸収されイオン化されると同時にプロテインチップアレイ表面から脱離する。イオン化されたタンパク質を検出し、それらの分子量を飛行時間型(TOF)質量分析法により測定した。正イオンモードで収集したTOFマススペクトルは、レザー出力を閾値よりも若干(閾値より10〜15%高い)高くセットし、取得する高質量を40kDaにセットし、1〜15kDaに最適化して、スポット中平均65のレーザー照射を用いて作成した。スペクトルを収集し、Ciphergen Proteinchip(バージョン3.0)ソフトウェアを用いて解析した。SPAマトリックス(1:1、vol/vol)に希釈した「all-in-1」ペプチド分子量標準(Ciphergen biosystems, Inc.)を用いてレーザーの外部校正を行い、ウェルに直接適用した。タンパク質プロファイルの比較を、同じ実験に含まれる全てのスペクトルの全イオン電流に対する標準化の後に行った。並行処理した、同じプロテインチップアレイの(アッセイ内チップ内再現性)の、2つの異なるチップの(アッセイ内チップ間再現性)、4つの異なるウェル上で同じCSF試料の別のアリコートを分析することにより、そしてさらに実験を再現する(アッセイ間再現性)ことにより、再現性を試験した。
これらのピークに対応するタンパク質を同定するために、粗製のCSFの分画をSAXスピンカラムにより行った。溶出画分をSELDI−TOF MSにより解析した。
ペプチド配列は、以下の通りである
XXAD(L/I)AGHG(Q/K)EV(L/I)(L/I)Rおよび
HGTW(L/I)TA(L/I)GG(L/I)(L/I)K
20μLのCSFを10μL変性Laemmli緩衝液と混合した [Laemmli 1970]。試料を95℃に5分間加熱し、Laemmliの方法にしたがって15%T(T=全アクリルアミド濃度)のSDS−ポリアクリルアミドゲルに加えた。ゲルを、クーマシーブリリアントブルーR−250(0.1%w/v)とメタノール(50%v/v)を含有する溶液中で30分間染色した。メタノール(40%v/v)と酢酸(10%v/v)を含有する溶液中で脱色を行った。
トリストリシンゲルSDS−PAGE電気泳動を、Schaggerおよびvon Jagow [1987]にしたがって16.5%Tゲル(Biorad, Hercules, CA)を用いて行った。陽極緩衝液を、0.2MTris−HCl、pH8.9で構成し、陰極緩衝液を0.1M Tris−HCl、0.1Mトリシン、0.1%SDS、pH8.25で構成した。試料を、10μLの50mMトリス−HCl、4%(w/v)SDS、12%(w/v)スクロース、5%(v/v)β−メルカプトメタノールおよび微量のブロモフェノールブルー(pH6.8)中に希釈した。95℃で5分間変性した後、試料をゲルに加えた。ゲルを80Vで3時間泳動した。電気泳動の後、ゲルを40%メタノール、10%酢酸で30分間固定した。次いで、ゲルをコロイダルブルークーマシーG250で一晩染色し、30%メタノール中で脱色した。同定するバンドを迅速にカットし、エッペンドルフ中に移し、さらに解析するまで4℃に維持した。ポリペプチド分子量(MW)標準:トリオースリン酸イソメラーゼMW26,625;ミオグロビンMW16,950;α−ラクトアルブミンMW14,437;アプロチニンMW6,512;インスリンb鎖酸化型MW3,496およびバシトラシンMW1,423(Biorad)を泳動することにより、明白な分子量の測定を行った。
目的のタンパク質を含有するゲルのフラグメントを、以前に公開された手順[Shevchenko 1996, Hellman 1994, Rosenfeld 1992]を用いてそのタンパク質をトリプシン消化するため切り出し、以下のように修飾した。まず、ゲルの切片を、50mM炭酸水素アンモニウム、30%(v/v)アセトニトリル100μLで15分間、室温で脱色した。変性溶液を除去し、50mM炭酸水素アンモニウム中の25μLの10nMDL−ジチオスレイトール(DTT)に置き換え、56℃にて35分間インキュベーションした。次いでDTT溶液を50mM炭酸水素アンモニウム中の55mMヨードアセトアミド25μLに置き換え、暗所にて室温で45分間インキュベーションした。ゲル切片を、50mM炭酸水素アンモニウム100μLで10分間洗浄し、50mM炭酸水素アンモニウムおよび30%(v/v)アセトニトリル100μLで10分間洗浄した。
試料1.5μLをMALDI100ウェルターゲットプレートに加えた。同体積のマトリックス(50%(v/v)アセトニトリル、0.1%(v/v)TFA中、10mg/mLのα−シアノ−4−ヒドロキシ桂皮酸)を、先に加えた消化物に加えた。試料を、真空容器を用いてできるだけ素早く乾燥した。液体の溶液からの質量測定は、337nm窒素レーザーを備えたMALDI−TOF質量分析器VoyagerTM Elite and Super STR(PerSeptive Biosystems, Framingham MA, USA)を用いて行った。分析器を、加速電圧20kV、100〜140nsの遅延抽出パラメーターおよび850Daの低質量ゲートにて反射モードで用いた。分子イオン発生のためにレーザー出力を閾値よりも若干高く(閾値よりも10〜15%高い)セットした。スペクトルを10〜256の継続的レーザー照射の加算によって得た。最も高い60個のピークの質量をスペクトルから抽出し、SmartIdentペプチド質量フィンガープリントツール[Gras1999]を用いるタンパク質同定に用いた。リサーチはSWISS−PROTおよびTrEMBLデータベースに対して行った。ヒトに対してクエリを行い、質量の一致の最小数を4とし、トリプシンの自己消化産物を用いた内部校正後の質量の最大許容度を50ppmとし、最大で1つのトリプシンペプチドの間違った開裂を許容し、許容できる改変はシステインのヨードアセトアミドによるカルボキシメチル化とメチオニンの人工的酸化であった。
ナノLC(LC=液体クロマトグラフィー)分離の前に、ペプチド含有溶液の体積を0.1%(v/v)ギ酸溶液を添加して7μLに調整した。試料をTriathlon オートサンプラー(Spack, Emmen, Holland)にセットした。各実験につき、ペプチド含有溶液5μLを内径75μmのC18逆相カラム(YMS-ODS-AQ200, Michrom Bioresource, Auburn, CA)に注入した。ペプチドを、SunFlowポンプ(SunChrom, Friderichsdorf, Germany)を用いて0.1%ギ酸の存在下アセトニトリル(ACN)グラジェントで溶出した。ポンプの下流の流速を200pl/分から0.4pl/分に減少させるために流路スプリッターを用いた。四重極飛行時間型(Q−TOF)質量分析計(Micromass,Wythenshawe, England)を用いてペプチドを解析した。2700Vの電圧をナノエレクトロスプレーキャピラリー(New Objective,Woburn, MA, USA)にかけた。アルゴンを衝突ガスとして用いた。衝突エネルギーを前駆体イオン質量の関数として固定した。MS/MSスペクトルをMSとMS/MSモード間の自動切り替えにより得た。得られたMS/MSデータを、ProteinLynx ソフトウェア(Micromass,Wythenshawe, England)により、互換性のあるフォーマット(DTAファイル)に変換し、SWISS−PROT、TrEMBL、NCBInrおよびESTデータベースに対し慣用の検索エンジンを用いて解析した。MS/MSデータをマニュアルで解釈する場合は、配列のみの検索により同定を行った。
当業者に周知の標準的な統計的手法を用いてP値を算出した。0.05未満のP値を統計的有意とした。
対照の患者から得られたCSF試料は、30kDaを超える分子量のタンパク質を除去するためにCentricon 30 濾過装置(Millipore Corp. , Bedford, MA)を用いて分画した。塩および3kDa未満の分子量のポリペプチドをCentricon 3(Millipore Corp. , Bedford,MA)を用いて除去した。次いで、Centricon 3 を超高純度蒸留水で洗浄した。その洗浄画分に、4.82kDaの主要な成分が認められた。まず、この液体の画分を10mM溶液で洗浄し、1,4−ジチオエリトリトールで56℃にて1時間還元した後、54mMヨードアセトアミドで室温にて45分間アルキル化した。最後に、ポリペプチドを6mg/Lトリプシンで37℃にて一晩消化した。この液体画分を、以前に記載したようにナノLCおよびQ−TOFで解析した。
SELDI−TOFを用いて、AD患者から得た10のCSF試料と10人の対照の解析を3種類の異なる表面(ハイドロホビックH50、WCX2、およびIMAC表面(Ciphergen Biosystems, Fremont, California, USA, resp.)で行った。H50上で発現量の異なる7つのピークが認められ、WCX2上で5つマーカーが、IMAC表面上で5つのマーカーが認められた。マーカーをH50チップ上で用いる診断テストにより、特異性と感受性は、それぞれ100%、70%であることが判明した。H50およびWCX2上で認められたマーカーの組み合わせにより、100%の特性性と80%の感受性が得られた。最後に、H50、WCX2およびIMAC上で認められたマーカーの組み合わせは、100%の特異性と90%の感受性が得られた。
表面ハイドロホビックH50:7ピーク
マーカー1: 4769±s.d.Da
マーカー2: 6958±s.d.Da
マーカー3: 6991±s.d.Da
マーカー4:13412±s.d.Da
マーカー5:13787±s.d.Da
マーカー6:17276±s.d.Da
マーカー7:40437±s.d.Da
表面IMACCu:5ピーク
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- 被験者からの試料における配列番号7のポリペプチドの検出を含む、被験者におけるアルツハイマー病の状態を判定する方法。
- 配列番号1、配列番号2、配列番号3、配列番号4、配列番号5、配列番号6、配列番号8、配列番号9、配列番号10、配列番号11、配列番号12、配列番号13、配列番号14、配列番号15、配列番号16、配列番号17を含むポリペプチドから選ばれるか、または、ヒトシスタチンC、ヒトβ−2−ミクログロブリン、ヒトミオグロビンの7.7kDaホモローグ、神経分泌タンパク質VGF、ヒトシスタチンCの少なくとも5アミノ酸のフラグメント、ヒトβ−2−ミクログロブリンの少なくとも5アミノ酸のフラグメント、ヒトミオグロビンの7.7kDaホモローグの少なくとも5アミノ酸のフラグメント、神経分泌タンパク質VGFの少なくとも5アミノ酸のフラグメントから選ばれる、少なくとも1つのさらなるポリペプチドが検出される、請求項1に記載のアルツハイマー病の状態を判定する方法。
- 請求項1または2のいずれかに記載の方法を、同一の被験者から採取した少なくとも2つの別個の試料について行うことを特徴とする、アルツハイマー病の進行を調べる方法。
- 前記ポリペプチドの検出がSELDI−TOF MSによるものである、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 特定の抗体または前記ポリペプチドを認識する抗体を該ポリペプチドの検出に用いる、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記検出が、前記被験者の、CSFを含む試料におけるものである、請求項1〜5に記載の方法。
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