Multi-metabolite profiling of brain tissue and serum for novel diagnostics of multiple sclerosis

Metabolomikk og sykdomsmarkører ved multippel sklerose (MS)NMR (kjernemagnetisk resonans spektroskopi) basert metabolomikk er brukt i denne studien for å undersøke om det finnes forskjeller i lipoproteiner og andre metabolitter i blod fra personer med MS, sammenliknet mot kontrollpersoner. Dataanalytiske verktøy er utviklet og brukes for å finne forandringene og potensielle sykdomsmarkører.Laboratorieanalyser av blodserum ble startet i 2012 og arbeidet fortsatte i 2013. Totalt har jeg nå preparert og analysert ca. 600 serumprøver med 600 MHz NMR instrumentet i Trondheim (MR-senteret ved NTNU/St Olavs Hospital). Av disse er ca. 220 blodprøver samlet i tidligere MS-relaterte prosjekter (ca. 200 prøver med MS og ca. 20 med andre nevrologiske sykdommer), ca. 80 blodprøver fra kontrollpersoner, ca. 200 blodprøver fra personer med metabolsk syndrom og ca. 100 blodprøver fra barn. Utvikling av dataanalytiske verktøy er utført i samarbeid med kjemometrimiljøet ved UiB og Universitetet i Amsterdam. Dette har ført til bedre presisjon i beregningene og nye effektive grafiske verktøy som gjør det mulig å finne markørkandidatene med større sikkerhet. Dette gjør også tolkningen av resultatene lettere. Metoder blir direkte implementert i programvaren Sirius. Første manuskript ble sendt til Journal of Chemometrics i desember 2013 (Kvalheim OM et al. Variable importance in latent variable regression models). Neste blir ferdig i løpet av våren 2014. Jeg har etablert samarbeid med Helse Førde og Høgskulen i Sogn og Fjordane og er involvert i prosjekter der metabolsk profilering er tilknyttet til f.eks. fedmekirurgi, rehabilitering av overvektige og fysisk aktivitet hos barn. I tillegg har jeg hatt kontakt med metabolomikk forskere ved NTNU/St Olavs Hospital der bruk av de nye dataanalytiske verktøy kan være aktuelt. Samarbeid med Karolinska Instituttet i Stockholm er også under etablering. Resultater av NMR profilering av blodserum fra både MS og andre metabolomikk prosjekter skal bearbeides til publikasjoner i løpet av 2014. En studie innen proteomikk er allerede publisert sammen med forskere i Stavanger (IRIS) (Provan F et al. Proteomic analysis of epidermal mucus from sea lice–infected Atlantic salmon, Salmo salar L. J Fish Dis. 2013;36(3):311-21) og neste studie er snart ferdig for publisering. Jeg har presentert resultater i form av en poster i 2 konferanser: “Selectivity ratio enhanced variable selection in latent variable regression models with continuous response variables” (13th Scandinavian Symposium on Chemometrics, Djurönäset, Sweden, 17.-20.6.2013) og “A multivariate approach to reveal biomarker signatures in instrumental profiles of body fluids” (The 9th Annual Conference of the Metabolomics Society, Glasgow, Scotland, 1.-4.7.2013). I november holdt jeg et invitert foredrag i U.S.A.: “Multivariate approach to reveal biomarker signatures for disease classification“ (The 2013 Eastern Analytical Symposium, Somerset, NJ, U.S.A., 18.-20.11.2013). Jeg har holdt 2 inviterte foredrag i norske møter i 2013: “Genes, proteins and metabolites: Information flow in biological systems“ (ASK prosjekt seminar, Høgskulen i Sogn og Fjordane, Førde, 30.5.2013) og “Metabolomics, instrumental profiles & biomarker signatures - a chemometrician’s view” (Seminar, Nasjonalt Kompetansesenter for multippel sklerose, 23.10.2013). I tillegg har jeg vært medlem i vitenskapelig komite for 13th Scandinavian Symposium on Chemometrics (juni 2013, Djurönäset, Sweden) og ekstern sensor/opponent for forskerlinjeoppgave til Michel Gulati (Subclassification of brain tumors based on ex vivo metabolic profiles) ved NTNU, Medisinsk fakultet (oktober 2013/januar 2014).

Profildiagnostikk og sykdomsmarkører ved multippel skleroseI denne studien brukes profildiagnostikk for å undersøke om det finnes forskjeller i lipoproteiner og metabolitter i blod fra personer med MS, sammenliknet mot kontrollpersoner. Dataanalytiske verktøy utvikles og brukes for å finne forandringene i de spektrale profilene og plukke ut mulige markører.I profildiagnostikk er sammensetning av blodprøver målt på molekylært nivå ved hjelp av avanserte kjemiske instrumenter, f.eks. NMR (kjernemagnetisk resonans) spektroskopi, massespektrometri og kromatografi. Hver prøve beskrives dermed med spektrum av flere tusen variabler, f.eks. en profil med alle metabolitter. Disse spektrale profilene analyseres deretter v.h.a. multivariate dataanalytiske metoder for å finne forandringene og potensielle sykdomsmarkører. Laboratorieanalyser av blodserum ble startet i 2012. Jeg analyserte 160 serumprøver med 600 MHz NMR instrumentet i Trondheim (samarbeid med MR-senteret ved NTNU/St Olavs Hospital). Disse var blodprøver samlet i tidligere MS-relaterte prosjekter (41 pasienter med MS og 21 pasienter med andre nevrologiske sykdommer) og i tillegg blodprøver fra 78 nevrologisk friske kontrollpersoner. Det var planlagt flere analyserunder av blodprøver i 2012 men dette kunne ikke fullføres pga. alvorlig sykdom i familien som bl.a. medførte mange og lange opphold på Haukeland sykehus. Arbeidet med denne delen av prosjektet skal fortsette i 2013. Innsamling av nye blodprøver ble ikke startet i 2012 men er planlagt i 2013. Resultater av NMR profilering av blodserum skal bearbeides til en publikasjon og presenteres på konferanser innen metabolomikk. En viktig del av arbeidet er utvikling av dataanalytiske verktøy som trengs for å peke ut et fåtall interessante markørkandidater i et hav av uinteressante molekyler. I samarbeid med forskere i Nederland (Universitetet i Amsterdam) har arbeidet med matematiske metoder blitt videreført. Dette har ført til bedre presisjon i beregningene og dermed er det mulig å finne markørkandidatene med større sikkerhet. Metoder er implementert i programvaren Sirius og manuskript blir sendt til et tidsskrift innen analytisk kjemi i løpet av januar/februar 2013. Metodikken er generell og har vært/er under utprøving i andre medisinsk relaterte prosjekter. En studie innen proteomikk er nå publisert sammen med forskere i Stavanger (IRIS & Skretting). Resultater av andre prosjekter er under bearbeiding til 2 publikasjoner. Disse skal være ferdige i 2013. All reisevirksomhet har vært avlyst siden mai 2012 pga. sykdom i familien (som nevnt over). Derfor har jeg ikke deltatt i konferanser i år.

Profildiagnostikk og sykdomsmarkører ved multippel skleroseMultippel sklerose (MS) er en kronisk, uhelbredelig sykdom i sentralnervesystemet. Det finnes ingen MS-spesifikke sykdomsmarkører og diagnosen bygger på en rekke undersøkelser. I denne studien er ny metode brukt for å finne slike markører. Metoden er basert på spektral profilering av metabolitter i blod og multivariat dataanalyse.Det er antatt at forandringer i kroppsvæsker kan reflektere forandringer i et organ allerede i tidlig fase av en sykdom. Disse forandringene kan være små og vanskelig å identifisere. I spektral profilering måler man sammensetning av prøver på molekylært nivå ved hjelp av avanserte kjemiske instrumenter. Massespektrometri, kromatografi og kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi er metoder som er blitt brukt i dette sammenheng. Spektral profilering produserer mye data ettersom hver prøve beskrives med spektrum av flere tusen variabler. Å finne de molekylene som endrer seg ved MS, kan sammenlignes med å lete etter en nål i en høystakk. Man trenger dataanalytiske verktøy for å finne forandringene i de spektrale profilene og plukke ut mulige markører. I denne studien brukes NMR profildiagnostikk og andre kjemiske analyseteknikker for å undersøke om det finnes forskjeller i lipoproteiner og metabolitter i blod fra personer med MS, sammenliknet mot kontrollpersoner (andre nevrologiske sykdommer og nevrologisk friske). NMR analyser av prøver startet ikke som planlagt i 2011 siden prosjektet startet senere enn planlagt (mai 2011). Jeg har nå etablert et samarbeid med MR-senteret ved NTNU i Trondheim. Blodprøver samlet i tidligere MS-relaterte prosjekter skal analyseres der i løpet av vinter/vår 2012. Vi har nå ca. 400 prøver (både MS-pasienter og kontrollpersoner). Samling av nye blodprøver starter i 2012. Jeg har arbeidet videre med matematiske metoder som kan peke ut et fåtall interessante markørkandidater i et hav av uinteressante molekyler. Målet er å kunne øke presisjon i beregningene og dermed finne markørkandidatene med større sikkerhet. Dette skjer i samarbeid med forskere i Nederland (Universitetet i Amsterdam). Metoder skal tas i bruk i programvaren Sirius. Metoden er generell og er under utprøving i andre medisinsk relatert prosjekter også. Resultater av metodeutvikling og utprøving er under bearbeiding til 2 publikasjoner. I september deltok jeg en konferanse arrangert av internasjonal Metabolic Profiling Forum (Metabomeeting 2011, Helsinki, Finland, 25.-28.9.2011). Resultater ble presentert i form av en poster: “Strategies for selecting biomarkers from spectral and chromatographic profiles”.