proteomicsを介した泌尿器系の炎症および感染の診断
- 尿診断目的のための尿プロテオームデータを評価するためのサンプルソース
- 好中球は、尿路における自然免疫応答の支配的なエフェクターであり、多くのサンプルで高レベルの炎症を占めている
- プロテオームデータ由来の好中球タンパク質存在量は、LE活性と白血球数とよく相関
- NADスコア
- 赤血球タンパク質含量の豊富さは、血管損傷の診断指標として役立ちます
- 補体活性と凝固に関与するタンパク質が豊富な尿サンプル
- 尿酸塩の沈殿と関連する尿沈殿物プロテオームプロファイル
- 共生細菌による尿道コロニー形成は、宿主の免疫応答を誘発しない
- 日和見病原体による尿道コロニー形成
- 泌尿生殖器感染症の証拠を持つ膣汚染
- 尿堆積物のプロテオーム分析は、尿培養のものと同等の感度と特異性レベルを持つ微生物を識別します
尿診断目的のための尿プロテオームデータを評価するためのサンプルソース
本研究でプロファイリングされた120個の尿サンプルの収集は、特定の疾患の診断、進行の評価または治療に限定されなかった。 急性傷害,ちつ出血,めまい-悪心,高脂血症,II型糖尿病および関連合併症,腹痛-悪心,不特定高血圧,ぼうこう高血圧,特発性多尿,UTIの疑いなどの理由で主治医から尿検査(U A)を命じた。 UTIは、前述の臨床症状(例えば、腹痛/吐き気)および危険因子(例えば、糖尿病)のいくつかに関連する非常に一般的な感染症であるため、これらの標本から細菌尿 プロテオミクス解析は、尿検査レポートが細菌によって引き起こされるUtiの暫定的なサポートを提供する標本に限られていた(方法を参照)。 無症候性細菌尿症の特異的診断が可能であった症例では尿検体を分析しなかった。 広範なUAデータは120のサンプルのすべてのために得られました。 これには、ディップスティック検査、様々な細胞型および粘液の尿堆積物の顕微鏡検査、および症例の46%で尿培養(UC)データが含まれていました。 濁度,色および尿ペレットの色および容積などの尿の出現に関するデータもレビューした。 尿検査の結果はmetaproteomic調査からのデータと尿路の病気を診断する慣習的な方法の広範囲の比較を可能にした(付加的なファイル3:表A3)。
好中球は、尿路における自然免疫応答の支配的なエフェクターであり、多くのサンプルで高レベルの炎症を占めている
プロテオームデータは、尿路における炎症のエフェクターおよびメッセンジャーとしての好中球の重要な役割についての強力な証拠をもたらした。 好中球は、分泌顆粒から抗菌分子および炎症分子を放出し、貪食後に貪食体中の侵入病原体を産生し、殺す。 サンプル葉の順序(HCLSO)のために最適化された階層クラスタリング分析は、好中球(23の111例、図1のNAD1クラスター)と細胞骨格に関連するものに匹敵する好中球特 細胞骨格蛋白質は泌尿生殖路を覆う上皮細胞で非常に表現され、尿路の病態生理学的な条件の不在の尿の沈殿物のプロテオームの大半を構成します。 48NADクラスタープロファイルの三〇から五は、それぞれの患者における炎症のための支配的な理由は、細菌尿症と侵入微生物に対する免疫応答であった リンケージツリー内のNADクラスター間の距離の理由は、サンプルあたり200から1,500Idまでの同定されたヒトタンパク質の数のかなりの変化であった。
プロテオームデータ由来の好中球タンパク質存在量は、LE活性と白血球数とよく相関
この研究の主な動機は、尿試料中の炎症のレベルを定量するために、従来のアッセイと比較して尿堆積物から派生したプロテオームデータを決定することでした。 図2に表示されたプロットの青いバーセグメントに示すように、活性化好中球で高度に発現することが知られている35のタンパク質の量(追加ファイル2:表A2)を各UPサンプルの総タンパク質存在量に対して決定した。 予期せぬことではないが、前述のNAD1クラスターに属する症例の85%%が、好中球タンパク質含量が30%を超えるグラフのセクション(左側)にあった。 カルシウム結合S100ファミリータンパク質S100-A8、S100-A9、およびs100-a12は、好中球の総細胞質タンパク質content有量の40-50%に貢献しています; ミエロペルオキシダーゼ(MPO)、カテプシンG(CTSG)、defensin-1(DEFA1)、エラスターゼ(ELANE)、リソソーム(LYZ)、ラクトトランスフェリン(LTF)、およびカテリシジン(CAMP)を含む好中球顆粒から炎症中に放出されるタンパク質;グランカルシン(GCA)、プラスチン-2(LCP1)、アネキシンA3(ANXA3)を含むファゴリソソームと顆粒の形成、人身売買、および融合に関与するタンパク質。テトラスパニン(cd63抗原);インテグリンAM/β2、ゼラチナーゼ(mmp9)、および好中球コラゲナーゼ(mmp8)などの再編成細胞外マトリックスの環境で好中球の移動に影響; そして、NADPHオキシダーゼ、貪食細胞のファゴリソソームの膜に位置し、直接病原体を殺す酸化バーストの原因となるシトクロムb-245(CYBA、図3)を含む複数のサブ これらのタンパク質の多く、特にdefensin-1は、UTIsの証拠を有するサンプル中に非常に豊富であった(例えば、SA_112およびPM_20、図3)。 2例の細菌病原体は黄色ブドウ球菌(SA)とp.mirabilis(PM)であり、予想外ではないが、図2のプロットの左側に位置し、NAD1クラスター内で互いに隣接していた(図1)。 我々は、このデータは、defensin-1、LTF、S100-A8、およびS100-A9などのタンパク質はまた、尿路上皮細胞によって尿路に放出されるという事実を考慮して好中球の概 しかし、タンパク質葉の順序(HCLPO)のために最適化された階層クラスタリング解析は、これらのタンパク質は、それらの生産における好中球の支配的な役割の概念を支持し、お互いにクラスタリングすることを示した(追加ファイル4:図A1)。 病原体に対する応答のエフェクターである好酸球ペルオキシダーゼ(EPX)と好酸球カチオン性蛋白質(ECP)は好中球由来蛋白質よりも一桁少なく,炎症応答における好酸球の主要な役割を支持していなかった。 マクロファージ特異的遊走抑制因子(MIF)はさらに低い量で存在し,尿路における病原体浸潤後の急性免疫応答の参加者としてのマクロファージのほぼ不在を示唆した。
NADスコア
図2のプロットにおける好中球タンパク質量の表現は、(追加ファイル3:表A3)にも提供されているNAD(neutrophil activation and deganulation)スコアから導出されます。 図2には、各サンプルの負(N)からトレース(T)、1、2、および3の範囲のLEスコアが含まれています。 全体として、好中球タンパク質存在量とLEスコアの強い相関が観察される。 LEスコアは白血球エステラーゼ活性を測定し、主にエラスターゼ(ELANE)とミエロブラスチン(PRTN3)、図3の八つのサンプルについて定量化された二つの好中球プロテアーゼを表す可能性が高い。 グラフの左側のすべてのプロファイル(図2)と30%以上(iBAQ)好中球タンパク質含量を有する60サンプルの五十から三は、2または3のLEスコアを持ってい 40サンプルの23%未満(iBAQ)好中球タンパク質content有量の二十から九は、負から1までのLEスコアを持っていた。 LEスコアが≥2であったが、好中球タンパク質content有量が比較的低かった唯一の四例では、顕微鏡的白血球数は、高出力フィールド(HPF)、膿尿を定義するために使用されるしきい値あたり11細胞よりも大きかった。 全体的に、30%以上(iBAQ)好中球タンパク質含有量と11細胞/HPFで閾値を設定する白血球数の比較でわずかに少ない一致があった:14 60例のカウント≥10(追加: 表A3)。 要約すると、プロテオミクスを介して尿堆積物中の好中球含量を評価することは、尿路における炎症を診断するためのLEアッセイと少なくとも同 それは好中球で富む35の蛋白質の存在量の合計を測定し、LEの試金と比較される偽陽性の結果により少なく敏感であるかもしれません。
赤血球タンパク質含量の豊富さは、血管損傷の診断指標として役立ちます
通常、炎症に関連する尿路における血管損傷は、従来の尿検査におけるヘ 赤血球中の異なるタンパク質の高濃縮を考慮して、我々は血尿のための従来のテストと同等のプロテオームアプローチを開発することができました。 ヘモグロビンサブユニット、バンド3アニオン輸送タンパク質、バンド7インテグラル膜タンパク質、炭酸脱水酵素-1を含む32個の赤血球タンパク質の総存在量を、各UPサンプルの総タンパク質content有量に対して決定し、図2に表示されたプロットの緑色のバーセグメントによって示された。 これらのタンパク質量は、各サンプルのERYスコアとして(追加ファイル3:表A3)に記載されています。 NadスコアまたはLEアッセイ結果とERYスコアとの良好な相関の証拠はなく、病原体の検出(図2のプロットの下部にある水平バーの着色によって示される)の場合であっても、尿路の好中球浸潤は必ずしも有意な血尿および組織損傷を伴うとは限らないことを示唆している。 ディップスティックテストのための2+およびERYスコアのための4.5%で血尿のための境界を置くことは、すべてのケースの81%間で一致がありました。 スコアが一致しなかった21例については、顕微鏡的赤血球数を評価した。 血尿の証拠として高出力フィールド(HPF)あたり10以上の細胞を使用して、我々はケースの三分の二で顕微鏡分析は、プロテオームデータと一致していたことがわか プロテオミクスERYスコアは尿中の血尿の良好な定量的推定値を提供すると結論した。
補体活性と凝固に関与するタンパク質が豊富な尿サンプル
HCLPO分析は、凝固経路および/または補体系における機能的役割を持つ21タンパク質をクラスター化したすべての尿プロテオームプロファイルに適用されることが観察された(追加ファイル4: 図A1)。 これらの炎症経路に関連するタンパク質存在量を測定するための理論的根拠は、広範な機能的相互作用の報告にも基づいていた。 補体系活性および凝固(CAC)に関連する42個のタンパク質を同定し、その総存在量が各UPサンプルのCACスコアとして含まれている(追加ファイル3:表A3)。 補体系は、急性期応答および自然免疫に寄与し、別個の成分は、炎症促進または抗炎症である。 中心成分は補体成分C3である。 C3はopsonin C3Bおよびanaphylatoxin c3Aに成熟し、腎尿細管細胞の生産の後で血しょうおよび尿路に分泌します。 C3は、上部尿路感染症およびupecへの取り込みとおそらく再発UTIsの臨床的問題に関連付けられている尿上皮細胞におけるUPECの静止において役割を果た 補体活性と凝固に関連するタンパク質の量はそれほど高い好中球タンパク質ではありませんでしたが、HCLSO分析では、ツリー内に隣接し、合計12個のサンプ CACクラスターは、病原体(3の12)のIDを持つ症例の数が低いことを明らかにした。 CACスコアは、各サンプル(列)の赤い棒のセグメントによって示された図2にプロットされた。 CACタンパク質の高い全体的な量は、補体系(例えば、C3およびC4)および凝固(例えば、フィブリノーゲン)によって媒介される炎症活性が別々に病原体の侵入 高いCACとERY蛋白量はタンデムで発生することがより頻繁に観察された。 多くの凝固および補体タンパク質は、実際に血漿中に豊富である。 この体液は管の傷害に尿路の内腔に漏ります。 CACスコアの測定に相当する尿検査は、臨床検査室ではほとんど使用されません。
尿酸塩の沈殿と関連する尿沈殿物プロテオームプロファイル
CACクラスター内の12UPサンプルの目視検査では、9つの尿サンプルが非常に混濁し、10個の尿ペレットが比較的大きく、ピンクから淡褐色の着色をしていたことが明らかになった。 これらの特徴は尿酸の高い飽和レベルおよび尿酸の塩の沈殿物に、特に尿の6の下のpHで、関連していました。 尿酸の沈殿は、尿石形成の前駆状態であり得る。 試料の濁った外観は、顕微鏡観察中に沈殿物を細菌として誤って同定することに寄与したと仮定することは合理的である。 腎臓結石(GV_64)の発生を報告する唯一の臨床記録が利用可能であった。 この患者のプロテオームプロファイルはCACクラスターの一部ではなかったが、サンプルの視覚的特徴はまた、濁度とピンクから淡褐色の尿ペレット色を 尿の可溶性画分中に比較的豊富な蛋白質は塩析出物に結合し,したがってそれぞれのUP試料中の明確な蛋白質豊富パターンに寄与すると仮定した。 実際、尿中に一般的に可溶性であり、通常は尿中のペレット中に存在量が低いタンパク質は、UTIおよび塩析出物(LG_21)の証拠なしに対照と比較して、いくつかのcacクラスターサンプルで存在量が増加した。 このようなタンパク質の例は、図4に示すように、IgG γ鎖、AMBP(ビクニン)、フィブリノゲンγ鎖である。 タンパク質defensin-1とヘモグロビンのサブユニットHBA1とHBDは、最も強くLG_21のデータに比べて豊富に増加した。 図4に示すほとんどのタンパク質は、局所損傷の結果として尿および血漿中で増加し、急性期応答に寄与することが知られているが、このデータは高 病理学的意義、特に尿路における損傷は、このデータから推測することはできない。 尿石マトリックスのプロテオームプロファイルが最近報告された。 石のマトリックスで最も頻繁に観察されたタンパク質の中には、IgG重鎖、フィブリノゲンサブユニット、S100-A8、リゾチームC、およびLTFがあり、図4のプロッ 尿塩沈殿物を含む尿サンプルからバイオマーカーを同定するためのプロテオミクス分析の価値を評価するためには、腎臓結石形成のリスクを評価す
共生細菌による尿道コロニー形成は、宿主の免疫応答を誘発しない
高度に平行なDNA配列決定技術は、尿が完全に無菌ではないことを明らかにし、尿中 尿道の外部部分は、特に女性では、会陰および膣源からの細菌で植民地化されている可能性があります。 女性患者からのクリーンキャッチ尿の最適でない収集は、膣腔からのタンパク質および共生細菌による尿の汚染をもたらす可能性があることも明ら ここで提示されたデータは、によって説明することができますが、前述の二つのシナリオを区別しません。 本研究で得られた尿中プロテオームプロファイルの約25%は、生理的に正常な環境(例えば、ウロモジュリンとサイトケラチン)で尿に分泌されるタンパク質に富み、または尿路および膣路を覆う粘膜表面によって流された上皮細胞によって豊富に産生された。 HCLSO分析では、二つの例外を除いて女性患者から得られた15UPサンプルを持つ四つのクラスター(図1)、一つの大きなクラスターを同定しました。 プロファイルは、細胞骨格タンパク質(例えば、α-アクチンとアネキシン)、デスモソームタンパク質(例えば、デスモプラキンとペリプラキン)、および角化細胞エンベロープタンパク質(例えば、サイトケラチン、コルヌリン、および小さなプロリンリッチタンパク質3)の高い豊富さを明らかにした。 最初の二つのカテゴリーに属するタンパク質は、尿路上皮細胞を含むほとんどの細胞タイプに存在するが、尿道口および膣路に位置する層状扁平上皮は、これらのカテゴリーのすべてからタンパク質を豊富に産生する。 尿堆積物の顕微鏡検査では、四つのクラスター(追加ファイル3:表A3)に存在するサンプルのほとんどについて、スコア≥2+で扁平上皮細胞の内容量の増加が確認され、ここからウロモジュリンおよび膣細菌を有する扁平上皮細胞クラスター(USEV)と呼ばれている。 尿路の水/電解質バランスに寄与する蛋白質であるウロモジュリンもUSEVクラスターの試料に豊富であった。 膣細菌(LactobacillusとG.vaginalis)は22の30サンプルから同定され、細菌はこれらのサンプルの5に存在しなかった。 プロテオームデータは、図2の図のサンプルの位置から明らかなように、NADスコアによると、症例の74%でUSEVクラスターの炎症の非常に低いレベルを確認した。 USEVクラスターの代表的なプロファイルはLG-23であり、nadスコアは20%であり、defensin-1およびS100A8を除いて炎症関連タンパク質の存在量は低い(図3)。 SA_112およびPM_20のプロファイルと比較して、炎症に寄与するすべてのタンパク質はLG_23ではあまり豊富ではなかった。 G.vaginalisは、尿路および膣路における日和見病原体であり得る。 Lactobacillus,g.vaginalis,または両方の種のIdのために選択されたUSEVクラスターにおける宿主蛋白質プロファイルのクラスタリングは,これらの細菌種に対する強い免疫応答の欠如を示した。 プロテオミクス解析は,女性の泌尿生殖路に感染がないことの証拠を提供することによって診断的価値を有すると結論した。
日和見病原体による尿道コロニー形成
USEVクラスターには、一般的な尿路病原体が同定された三つの症例、UPECとk.pneumoniaeが含まれていました。 二つのケース(EC_13およびKP_55)は、好中球誘発炎症および血管損傷の不在と一致していた低いNADおよびERYスコアを示した。 図3に示されているタンパク質の相対的な存在量とLG_23で観察されたパターンとの類似性は、utiに特徴的な免疫応答が細菌による植民地化時に誘発されないという概念を支持していた。 症例が無症候性細菌尿症(ASB)を表すかどうかは、ASBの分子レベルの免疫応答に関する知識が不足しているために評価することはできません。 要約すると、このデータは、プロテオームプロファイルは、自然免疫系の活性化なしにuropathogensによって尿道植民地化のケースを識別することができるという概念
泌尿生殖器感染症の証拠を持つ膣汚染
HCLSO分析では、図1に示す膣汚染(VCO)クラスターと呼ばれるUPサンプルクラスターが生成されました。 VCOクラスタープロファイルは、細胞骨格、デスモソームおよび角化細胞エンベロープタンパク質の高い存在量を特色にしたが、低または中等度のウロモジュリン量、膣 Vcoスコアは、ウロモジュリンと比較してデータベースTiGERによると比較的高い特異性を有する子宮頸管上皮組織に発現する五つのタンパク質の定量的比を計算した。 これらのタンパク質は、コルニフェリン、コルヌリン、セルピンB3、ガレクチン-7、およびプロテオグリカンムチン-5Bであった。 タンパク質S100-A12およびリゾチーム(LYZ)などの好中球特異的炎症促進分子および血管損傷を示すか、または血管損傷に応答するタンパク質(HBA1およびフィブリノゲン-β)は、図3のLG_23と比較してKP_10について示されているように、Vcoクラスターにおいてより豊富であった。 VCOクラスターには14のサンプルが含まれており、女性患者に由来するものを除くすべてが含まれており、その半分は尿路病原体のIDに関連していた。 五つの試料でG.vaginalisまたはLactobacillusを同定した。 臨床的証拠は、サンプルKP_10に関連する患者の膣出血を示唆し、k.pneumoniaeによる泌尿生殖器または膣感染症の診断を支持した。 VCOスコアは、追加のファイル3:表A3に含まれています。 VcoとUSEVクラスターのVCOスコアを比較するWilcoxonランク合計テストは、スコアが尿検体の主要な膣汚染からnoまたはマイナーを識別するのに有用であることを示唆し、0.017のp値をもたらした。 膣感染症とUTIを区別するためのVCOスコアの有用性に関して明確な評価を行うことはできない。
尿堆積物のプロテオーム分析は、尿培養のものと同等の感度と特異性レベルを持つ微生物を識別します
我々は、76UPサンプルから細菌を同定し、一つのUP 尿培養はわずか55例で行われ、そのうち44%が少なくとも一つの病原体、24%の共生生物を同定し、17%が微生物増殖を示さなかった(追加ファイル3:表A3)。 病原体の同定の文脈では、プロテオームデータとUC結果は常に一致していなかった(表1)。 いくつかの理由が意見の相違に寄与しているようです。 同定された微生物タンパク質に基づいてメタプロテオミックデータを解釈する課題が続く。 まず、検索されたデータベースからのタンパク質配列がないため、あまり一般的でないuropathogenのタンパク質Idが見逃される可能性があります。 データベースに記載されている細菌種はプロテオーム解析(K.pneumoniaeとE.faecalis)により同定されたが,UCデータはそれぞれ系統発生的に近い種EnterterobacteraerogenesとE.faeciumの存在を示唆した。 第二に、尿中の低存在量で存在する微生物生物は、微生物種がオーソロゴタンパク質の間で広範な配列同一性を共有する場合は特に、非常に豊富な微生物の存在下で識別することがより困難である。 (追加ファイル5:データセットA1)のEC_85およびKP_11プロファイルは、この問題を示しており、特に、すべてのUtiの大部分を引き起こす腸内細菌科に関す 不正確なゲノム注釈、例えば 一つの種(UPサンプルに存在する)の遺伝子が欠落していると、関連種のゲノムに正しく注釈されたオルソログタンパク質が同定される(ただしUPサンプルには存在しない)。 小さなトリプティックペプチドは、高度に配列同一性の場合には、検索アルゴリズムによって誤ったタンパク質の割り当てが可能性が高くなり、散弾銃のプロテオミクス解析で同定されています。 第三に、尿中の低カウントに存在する細菌のIDは、ホストと微生物タンパク質がLC-MS/MSによって別々に調査されていないため、高いホストプロテオミックの背景と組み合わせると、~10,000細胞/mL未満であり、見逃される可能性があります。UCデータによると、細菌生物の低CFUカウントは、高いCFUカウントよりもプロテオミックIdとの一致率が低いことを示した(追加ファイル3:表A3)。 対照的に、微生物のプロテオミクス同定は、それらが培養に依存しないという利点を有し、病原性、抗生物質耐性、遭遇するストレス、および同定された病原体の成長状態に関する情報を提供するという利点を有する。 このような包括的なデータを明らかにする二つの例は、(追加ファイル5:データセットA1)に提供されています。 あるデータセット(EC_85)では、UPEC、G.vaginalisおよびLactobacillusのタンパク質をプロファイルした。 他のデータセット(KP_11)では、UTIの原因はK.pneumoniaeでした。 表1は、硝酸塩を減少させる能力に基づいて尿中の腸内細菌科を同定する亜硝酸塩試験の比較の概要を提供し、プロテオームデータとUCの結果を提供し 陽性亜硝酸塩試験の90%は、実際に原因物質としてUPECまたはk.pneumoniaeを有する細菌尿症の症例に関連し、常にプロテオミクスおよびUC法でも同定された。 プロテオミクス解析とは異なり,亜硝酸塩試験は腸内細菌科を同定するのに十分な感度ではないと思われた。 亜硝酸塩試験は、プロテオーム分析からのIDがG.vaginalisであった21例で陽性ではなかった。 プロテオーム法とU c法による病原体Idの違いについては,β-溶血性連鎖球菌をuc実験により同定した。 表1に示すように、UPECおよびk.pneumoniaeの一致するIdの数は、より少ない程度まで高かった。 要約すると、プロテオミクス法は、亜硝酸塩試験よりも高い感度とUCに匹敵する感度と特異性レベルを示した。 尿サンプルの高いホストのproteomic背景は微生物同一証明のための感受性を減らします。