EVALUATIE GEGLYCEERDE VINGERNAGELPROTEÏNEN VIA ATR-FTIR-SPECTROSCOPIE: NIET-INVASIEVE MERKER VOOR DIAGNOSE & CONTROLE VAN DIABETES

Thijs Van de Vyver
Persbericht

EVALUATIE GEGLYCEERDE VINGERNAGELPROTEÏNEN VIA ATR-FTIR-SPECTROSCOPIE: NIET-INVASIEVE MERKER VOOR DIAGNOSE & CONTROLE VAN DIABETES

DIABETES? KNIP EEN VINGERNAGEL!eenvoudige, goedkope en niet-invasieve test vergemakkelijkt diagnose diabetes mellitus in ontwikkelingslanden 

Paul, een Congolese man van 45 jaar, is diabetespatiënt. Zonder de juiste medicatie en medische begeleiding heeft hij veel kans op ernstige problemen met bloedvaten, ogen, nieren, zenuwen en voeten. Paul weet echter niet dat hij aan de ziekte lijdt. Stel u maar eens voor: je leeft in een moeilijk bereikbaar dorp, ver weg van alle medische faciliteiten. De kans dat een hulpverlener de diagnose van diabetes bij Paul stelt is uitermate klein. Klassieke testen voor het diagnosticeren van de ziekte bestaan namelijk allen uit de analyse van een bloedstaal in een laboratorium. In dit eindwerk werd echter een nieuwe test ontwikkeld die, door het gebruik van vingernagelfragmenten en goedkope apparatuur, de potentie heeft om ter plaatse de diagnose van diabetes te stellen. Alle benodigdheden passen namelijk in een gewone auto en er worden geen reagentia gebruikt. Geknipte vingernagels zijn tevens veel stabieler dan bloedstalen en de afname vergt geen medisch getraind personeel. Wordt de diagnose van diabetes mellitus op deze manier kinderspel?

Diabetes in ontwikkelingslandenDiabetes mellitus (suikerziekte), een groep van metabole ziekten gekenmerkt door chronisch verhoogde bloedglucosespiegels, werd vroeger voornamelijk aanzien als een ziekte van de rijke ‘westerse’ wereld. Deze stelling is echter reeds geruime tijd achterhaald. Door o.a. een ongecontroleerde verstedelijking komt de ziekte namelijk steeds meer voor in ontwikkelingslanden (o.a. Afrikaanse en Aziatische landen). Zo werd berekend dat in deze landen het aantal volwassenen met diabetes met 69% zal stijgen tussen 2010 en 2030 (t.o.v. 20% stijging in de westerse wereld). Om deze spectaculaire stijging het hoofd te bieden is een snelle diagnose en behandeling van de ziekte van cruciaal belang. Spijtig genoeg botst men hier echter met de realiteit: de gezondheidszorg in ontwikkelingslanden laat meestal te wensen over en de bestaande diagnostische testen zijn niet aangepast aan de plaatselijke noden en gebruiken. Zo vergen al deze dure testen de afname van een bloedstaal, hetgeen in verscheidene culturen niet zomaar wordt toegelaten. Bloedstalen zijn eveneens slechts voor een korte tijd stabiel. Dit zorgt voor praktische problemen, aangezien enerzijds het aantal laboratoria in deze landen dun gezaaid is en anderzijds de patiënten vaak moeilijk bereikbaar zijn (door o.a. een belabberde staat van de verbindingswegen). Een test die op een snelle, goedkope en niet-invasieve (dus zonder bloedafname) manier diabetes kan diagnosticeren zou mogelijks een belangrijke rol kunnen spelen in de strijd tegen de ziekte. In deze studie werd bijgevolg onderzocht of vingernagels en infraroodspectroscopie, een goedkope techniek, kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van een diagnostische test.

Niet-enzymatische glycatie en vingernagelsDe gestegen glucoseconcentraties in het bloed van diabetespatiënten zijn op zichzelf niet het grootste probleem, maar ze zorgen wel voor een verhoogde niet-enzymatische glycatie van eiwitten in het gehele lichaam. Deze glycatie is een natuurlijk proces waarbij suikermoleculen (i.e. glucose) worden gebonden aan aminozuurresiduen van eiwitten. Het is dit proces dat schade veroorzaakt en aanleiding geeft tot de lange termijn complicaties van diabetes (degeneratie netvlies oog, diabetische voet, enz.). Bijgevolg is de diagnose en opvolging van diabetes vandaag de dag voornamelijk gebaseerd op de meting van geglyceerd hemoglobine (HbA1c-waarden) in het bloed. Vingernageleiwitten (keratine-eiwitten), aanwezig in de nagelplaat, zijn echter ook onderhevig aan dit proces (na diffusie van glucose vanuit de capillairen in het nagelbed). Een test die de glycatie van vingernageleiwitten kan aantonen zou, net zoals de HbA1c-test, kunnen worden gebruikt als een diagnostisch instrument dat informatie geeft over de gemiddelde glucoseconcentraties in het bloed over een langere periode (i.e. 6 maanden, duur volledige vervanging nagelplaat). Vingernagelfragmenten kunnen, in tegenstelling tot bloedstalen, echter niet-invasief verkregen worden, waardoor er geen medisch getraind personeel noodzakelijk is. Om de analyse ook praktisch bruikbaar te maken in ontwikkelingslanden werd gezocht naar een goedkope techniek die in staat is de glycatie aan te tonen. Infraroodspectroscopie past in dit plaatje, aangezien er enerzijds weinig staalvoorbereiding nodig is en anderzijds de apparatuur weinig kost (éénmalige aankoop van een relatief ‘goedkope’ spectrofotometer).

 

“alle benodigdheden passen in een gewone auto”

ResultatenAan 109 diabetici en 297 gezonde personen werd gevraagd om hun vingernagels te knippen. Deze vingernagelfragmenten werden vervolgens verpoederd en de bekomen poeders werden geanalyseerd met behulp van een infraroodspectrofotometer. Dit toestel kan namelijk, door het opnemen van een infraroodspectrum, kwantitatief de glycatie van de eiwitten in de nagelplaat bepalen. Op deze manier werd een sterk verhoogde glycatiegraad gevonden in de diabetische populatie in vergelijking met de controlegroep. Deze zeer goed reproduceerbare resultaten suggereren bijgevolg dat de ontwikkelde analyse uitermate geschikt is om een onderscheid te maken tussen diabetici en niet-diabetici. Daarnaast kunnen de vingernagelfragmenten voor minstens 1 maand bij kamertemperatuur bewaard worden zonder de spectrofotometrische resultaten te beïnvloeden (hogere stabiliteit dan bloedstalen). Het gebruik van nagellak interfereerde echter wel met de analyse.

 

“uitermate geschikt om onderscheid te maken tussen diabetici en niet-diabetici”

Besluit en toekomstHet feit dat suikerzieken sterker geglyceerde vingernageleiwitten hebben dan gezonde personen, is reeds langere tijd gekend. Het vernieuwende aan de gepresenteerde resultaten is echter de gebruikte techniek. Een infraroodspectroscopische analyse van vingernagelfragmenten heeft namelijk het voordeel te kunnen worden gebruikt buiten het laboratorium. Alle benodigdheden voor het uitvoeren van de test kunnen immers worden opgeslagen in een auto (als het ware een mobiel labo) en de analyse kan worden uitgevoerd door niet medisch getraind personeel. Toch moet hierbij worden vermeld dat alle, in dit eindwerk gepresenteerde, resultaten werden bekomen door de analyse uit te voeren in een laboratoriummilieu. Om na te gaan of de ontwikkelde test in de toekomst ook zijn nut buiten het laboratorium bewijst, worden er bijgevolg op dit eigenste moment veldexperimenten uitgevoerd in Congo. Daarnaast is verder onderzoek noodzakelijk om de analyse te optimaliseren. Een infraroodspectrofotometer, zo groot als een luciferdoosje, die rechtstreeks op de vinger wordt geplaatst en zo de glycatie van de vingernagels meet is hierbij het ideaalbeeld. Hiermee zouden Paul en de overige miljoenen patiënten, die wereldwijd aan suikerziekte lijden, immers zelf de ziekte kunnen opsporen én opvolgen. Denk daar maar eens over na als je de volgende keer naar de manicure gaat.

Bibliografie

[1]   American Diabetes Association. Classification and Diagnosis of Diabetes. Diabetes Care 2015; 38: S8–S16.

[2]   Ozougwu JC, Obimba KC, Belonwu CD, et al. The pathogenesis and pathophysiology of type 1 and type 2 diabetes mellitus. J Physiol Pathophysiol 2013; 4: 46-57.

[3]   Higgins T. HbA1c — An analyte of increasing importance. Clin Biochem 2012; 45: 1038-1045.

[4]   Shaw JE, Sicree RA, Zimmet PZ. Global estimates of the prevalence of diabetes for 2010 and 2030. Diabetes Res Clin Pract 2010; 87: 4-14.

[5]   Mbanya JC, Motala A, Sobngwi E, et al. Diabetes in sub-Saharan Africa. Lancet 2010; 375: 2254-2266.

[6]   John WG, Lamb EJ. The maillard or browning reaction in diabetes. Eye 1993; 7: 230-237.

[7]   Tessier FJ. The Maillard reaction in the human body. The main discoveries and factors that affect glycation. Pathol Biol (Paris) 2010; 58: 214-9.

[8]   Ahmed N. Advanced glycation endproducts--role in pathology of diabetic complications. Diabetes Res Clin Pract 2005; 67: 3-21.

[9]   Martin B. Nail histopathology. Actas Dermosifiliogr 2013; 104: 564-78.

[10]           Tortora GJ, Derrickson BH (2011). Principles of Anatomy and Physiology, 13th Edition, John Wiley & Sons, chapter 5, 165-167.

[11]           De Berker D, Baran R, Holzber M, Thomas L (2012). Science of the nail apparatus. Baran & Dawber’s Diseases of the Nails and their Management, Fourth Edition, John Wiley & Sons, chapter 1, 1-50.

[12]           Yaemsiri S, Hou N, Slining MM, He K. Growth rate of human fingernails and toenails in healthy American young adults. J Eur Acad Dermatol Venereol 2010; 24: 420-3.

[13]           Cashman MW, Sloan SB. Nutrition and nail disease. Clin Dermatol 2010; 28: 420-5.

[14]           De Berker D. Nail anatomy. Clin Dermatol 2013; 31: 509-15.

[15]           Goldsmith LA (1983). Biochemistry and physiology of the skin I, First Edition, Oxford University Press, Londen.

[16]           Gupchup GV, Zatz JL. Structural characteristics and permeability properties of the human nail: A review. J Cosmet Sci 1999; 50: 363-385.

[17]           Kishabongo AS, Katchunga P, Van Aken EH, et al. Glycation of nail proteins: from basic biochemical findings to a representative marker for diabetic glycation-associated target organ damage. PLoS One 2015; 10: e0120112.

[18]           Kishabongo AS, Katchunga P, Van Aken EH, et al. Glycated nail proteins: a new approach for detecting diabetes in developing countries. Trop Med Int Health 2014; 19: 58-64.

[19]           Bakan E, Bakan N. Glycosylation of nail in diabetics: possible marker of long-term hyperglycemia. Clin Chim Acta 1985; 147: 1-5.

[20]           Elkeeb R, AliKhan A, Elkeeb L, Hui X, Maibach HI. Transungual drug delivery: current status. Int J Pharm 2010; 384: 1-8.

[21]           Van Schaftingen E, Delpierre G, Collard F, et al. Fructosamine 3-kinase and other enzymes involved in protein deglycation. Adv Enzyme Regul 2007; 47: 261-9.

[22]           Van Schaftingen E, Collard F, Wiame E, Veiga-da-Cunha M. Enzymatic repair of Amadori products. Amino Acids 2012; 42: 1143-50.

[23]           Guilbert M, Said G, Happillon T, et al. Probing non-enzymatic glycation of type I collagen: a novel approach using Raman and infrared biophotonic methods. Biochim Biophys Acta. 2013; 1830: 3525-31.

[24]           Scott DA, Renaud DE, Krishnasamy S, et al. Diabetes-related molecular signatures in infrared spectra of human saliva. Diabetol Metab Syndr 2010; 2: 48.

[25]           Glassford SE, Byrne B, Kazarian SG. Recent applications of ATR FTIR spectroscopy and imaging to proteins. Biochim Biophys Acta 2013; 1834: 2849-58.

[26]           Barth A. Infrared spectroscopy of proteins. Biochim Biophys Acta 2007; 1767: 1073–1101.

[27]           Berthomieu C, Hienerwadel R. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. Photosynth Res 2009; 101: 157-70.

[28]           Goormaghtigh E, Raussens V, Ruysschaert JM. Attenuated total reflection infrared spectroscopy of proteins and lipids in biological membranes. Biochim Biophys Acta 1999; 1422: 105-85.

[29]           http://www.directindustry.com/prod/perkinelmer-inc/ft-ir-spectrometer-14711-438366.html (28 maart 2015)

[30]           Mojet BL, Ebbesen SD, Lefferts L. Light at the interface: the potential of attenuated total reflection infrared spectroscopy for understanding heterogeneous catalysis in water. Chem Soc Rev 2010; 39: 4643-55.

[31]           Baker MJ, Trevisan J, Bassan P, et al. Using Fourier transform IR spectroscopy to analyze biological materials. Nat Protoc 2014; 9: 1771-91.

[32]           Johnson RN, Metcalf PA, Baker JR. Fructosamine: a new approach to the estimation of serum glycosylprotein. An index of diabetic control. Clin Chim Acta 1982; 127: 87-95.

[33]           Turgeon ML (2004). Clinical Hematology: Theory and Procedures, Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia, p. 100.

[34]           Ohmi M, Ohnishi Y, Yoden K, et al. In vitro simultaneous measurement of refractive index and thickness of biological tissue by the low coherence interferometry. IEEE Trans Biomed Eng 2000; 47: 1266-70.

[35]           HTTP://WWW.ESSENCE.EU/US/PRODUCTS/NAILS/NAIL-POLISH/E/PRODUCT/COLOUR-GO-NAIL-POLISH-101/#TAB-2 (15 maart 2015)

[36]           Sowa MG, Wang J, Schultz CP, et al. Infrared spectroscopic investigation of in vivo and ex vivo human nails. Vib Spectrosc 1995; 10: 49-56.

[37]           Benzeval I, Bowen CR, Guy RH, Delgado-Charro MB. Effects of iontophoresis, hydration, and permeation enhancers on human nail plate: infrared and impedance spectroscopy assessment. Pharm Res 2013; 30: 1652-62.

[38]           Lehtinen J. Spectroscopic Studies of Human Hair, Nail, and Saliva Samples Using a Cantilever-Based Photoacoustic Detection. Int J Thermophys 2013; 34:1559–1568.

[39]           Farhan KM, Sastry TP, Mandal AB. Comparative study on secondary structural changes in diabetic and non-diabetic human finger nail specimen by using FTIR spectra. Clin Chim Acta 2011; 412: 386-9.

[40]           Baraldi A, Jones SA, Guesné S, et al. Human nail plate modifications induced by onychomycosis: implications for topical therapy. Pharm Res 2015; 32: 1626-33.

[41]           http://www.nicoletcz.cz/userfiles/file/Aplikace/Introduction%20ATR%20SpectraTech.pdf (23 mei 2015)

[42]           http://www.utsc.utoronto.ca/~traceslab/ATR_FTIR.pdf (23 mei 2015)

[43]           Melanie MB, Eric JB, Lacy T, et al. Comparison of transmission FTIR, ATR, and DRIFT spectra: implications for assessment of bone bioapatite diagenesis. J Archaeol Sci 2014; 46: 16-22.

[44]           Baker JR, Zyzak DV, Thorpe SR, Baynes JW. Mechanism of fructosamine assay: evidence against role of superoxide as intermediate in nitroblue tetrazolium reduction. Clin Chem 1993; 39: 2460-5.

[45]           Khajehpour M, Dashnau JL, Vanderkooi JM. Infrared spectroscopy used to evaluate glycosylation of proteins. Anal Biochem 2006; 348: 40-8.

[46]           Snider NT, Omary MB. Post-translational modifications of intermediate filament proteins: mechanisms and functions. Nat Rev Mol Cell Biol 2014; 15: 163-77.

[47]           Delpierre G, Veiga-da-Cunha M, Vertommen D, et al. Variability in erythrocyte fructosamine 3-kinase activity in humans correlates with polymorphisms in the FN3K gene and impacts on haemoglobin glycation at specific sites. Diabetes Metab 2006; 32: 31-9.

[48]           Mohás M, Kisfali P, Baricza E, et al. A polymorphism within the fructosamine-3-kinase gene is associated with HbA1c Levels and the onset of type 2 diabetes mellitus. Exp Clin Endocrinol Diabetes 2010; 118: 209-12.

[49]           http://www.chem.ucla.edu/~bacher/spectrocopy/IR1.html (28 april 2015)

[50]           Tae-kyu H, Chandramadhab P, Pradip NG. Ethyl acetate: Gas phase infrared spectra, ab initio calculation of structure and vibrational frequencies and assignment. Spectrochim Acta A 1992; 48: 1083-1090.

[51]           Cohen RM, Holmes YR, Chenier TC, Joiner CH. Discordance between HbA1c and fructosamine: evidence for a glycosylation gap and its relation to diabetic nephropathy. Diabetes Care 2003; 26: 163-7.

Universiteit of Hogeschool
Farmaceutische Wetenschappen
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Share this on: