Quantitative Analyse von Protein-Massenspektren

1. Einleitung
Die Massenspektrometrie (MS) ist ein sehr bedeutendes Werkzeug in der Analytik organischer
Verbindungen. Sie findet Anwendung in der Substanzanalyse von Gemischen, in der
Sequenzierung von Biomolekülen, in der Qualitätskontrolle von Medikamenten und vielem
mehr. Es gibt eine Vielzahl von Geräteklassen für die MS, wobei die Elektrospray-
Ionisations-Massenspektrometrie (ESI-MS) der wichtigste Vertreter ist. Besonders interessant
ist die MS für die Analytik großer Moleküle wie etwa Antikörper, da sie es ermöglicht, die
Moleküle als Ganzes zu untersuchen. Somit ist eine Fragmentierung der Proteine in kleine
Peptide nicht mehr notwendig, was weitere Fehlerquellen ausschließt, Kosten reduziert und
Zeit bei dem Analyseprozess einspart.
1.1. Motivation
Proteine werden häufig durch Glykosylierung posttranslational modifiziert. Die Glykosylierungsarten
eines Proteins üben einen großen Einfluss auf deren Funktion aus. Besonders gut
charakterisiert ist dieser Sachverhalt bei Antikörpern: Hier entscheiden Glykosylierungen über
die Aktivierung von Effektor-Mechanismen des adaptiven Immunsystems [Jefferis05]. Eine
Zelle produziert i.d.R. nicht eine Glykovariante eines Antikörpers, sondern eine Vielzahl verschiedener
Varianten (sog. Mikroheterogenität) [Raju03]. Dies ist einerseits eine wünschenswerte
Eigenschaft, weil dadurch die Flexibilität des Immunsystems gesteigert wird. Andererseits
ist dies für die medizinische Anwendung von Antikörpern jedoch ungünstig, weil oft nur
wenige Glykovarianten eines Antikörpers die gewünschte therapeutische Wirkung entfalten.
Die Herstellung monoklonaler Antikörper (eine Glykovariante) ist deshalb eminent. Regelmäßige
Qualitätskontrollen der pharmazeutischen Produktion sind wichtig, um sicher zu stellen,
dass keine Verunreinigungen durch fremde Glykoformen vorhanden sind. Übersteigen z.B.
bestimmte Glykoformen eines Proteins einen gewissen Konzentrationsanteil, können schädliche
Nebenwirkungen für den Patienten auftreten.
Die Probenanalyse lässt sich mit der ESI-MS tätigen. Die gewonnenen Spektren enthalten Informationen
über die in der Probe vorhandenen Massen und deren Intensitäten. Die Bestimmung
der Massen ist mit Hilfe von Entfaltungsalgorithmen wie z.B. dem „Maximum-
Entropie“-Algorithmus (MaxEnt) möglich [Reinhold92]. Der MaxEnt-Entfaltungsprozess
führt eine auf der Entropie basierten Rekonstruktion des Spektrums durch. Als Ergebnis erhält
man eine Liste mit den im Spektrum vorhandenen Massen und deren wahrscheinlichen Quantitäten.
Ausgehend von der MaxEnt-Massenliste und der Referenzmasse des untersuchten Proteins,
können dessen Zuckermodifikationen ermittelt werden. Die Schwierigkeit hierbei besteht
im Auffinden der richtigen Kombination, denn es gibt eine Vielzahl an Glykoformen und
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