Entrare sotto la pelle: proteomica visiva profonda per indagare le reazioni avverse cutanee ai farmaci / Getting under your skin: deep visual proteomics for investigating cutaneous adverse drug reactions

Entrare sotto la pelle: proteomica visiva profonda per indagare le reazioni avverse cutanee ai farmaci. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questo tipo diapplicazione. / Getting under your skin: deep visual proteomics for investigating cutaneous adverse drug reactions. The process of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this type of application.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Thierry Nordmann è un clinico-scienziato e dermatologo con una forte attenzione alla ricerca sui disturbi cutanei infiammatori. Ha completato il dottorato di ricerca dopo gli studi di medicina, studiando strategie di trattamento antinfiammatorio per il diabete di tipo 2. Dopo la sua formazione come dermatologo, Nordmann si è unito al rinomato gruppo di ricerca di Matthias Mann presso il Max Planck Institute of Biochemistry (Monaco, Germania) e da allora ha applicato tecnologie proteomiche all'avanguardia per ottenere approfondimenti traslazionali sulle malattie della pelle.

In questa intervista di ELRIG Research & Innovation (20-21 marzo 2024; Manchester, Regno Unito), abbiamo scoperto di più sulle nuove tecnologie sviluppate da Nordmann e colleghi per studiare le malattie della pelle.

Che cosa è una reazione avversa cutanea al farmaco e quando si verifica?

Le reazioni cutanee ai farmaci sono reazioni infiammatorie della pelle che si verificano come effetto collaterale di un farmaco. Queste reazioni possono variare ampiamente, a seconda sia del farmaco somministrato che del paziente che lo riceve. Ci sono malattie molto lievi che si manifestano come una semplice eruzione cutanea che scompare nel giro di un paio di giorni. In confronto, queste reazioni possono essere così gravi da mettere a rischio la vita.

Ci sono alcuni tratti che comportano il rischio di sviluppare tali disturbi. Tuttavia, i meccanismi alla base di molte reazioni cutanee ai farmaci sono sconosciuti ed ancora da scoprire. La forma più grave di reazione cutanea ai farmaci è chiamata necrolisi epidermica tossica (TEN), in cui il distacco epidermico fulminante si verifica nel giro di poche ore. Fino a poco tempo fa, non esisteva un trattamento efficace per questa malattia potenzialmente letale.

Quali sono i principi di funzionamento della vostra tecnologia Deep Visual Proteomics (DVP)?

DVP è una tecnologia avanzata sviluppata nel nostro laboratorio e pubblicata su Nature Biotechnology nel 2022. Combina le migliori caratteristiche dell'imaging ad alto contenuto, dell'intelligenza artificiale (IA) per la segmentazione cellulare e della proteomica ad alta sensibilità. Il flusso di lavoro di DVP include molti passaggi individuali ed inizia classicamente con una sezione sottile del tessuto di interesse su un vetrino a membrana specializzato. Uno dei vantaggi di DVP è che possiamo utilizzare campioni di routine fissati in formalina ed inclusi in paraffina (FFPE). Queste sezioni di tessuto vengono quindi colorate secondo protocolli standard, che vanno dall'immunoistochimica monocromatica alle procedure di immunofluorescenza multiplex. Dopo la scansione, utilizziamo metodi di segmentazione cellulare basati sull'IA per identificare e segmentare le cellule di interesse, creando così una "mappa" del tessuto. Da questa sezione, ritagliamo con precisione le cellule di interesse utilizzando un microscopio a microdissezione laser e raccogliamo queste cellule in una piastra di raccolta sottostante. Quindi lisiamo e digeriamo i campioni ed infine misuriamo il proteoma utilizzando spettrometri di massa ad alta sensibilità. Il risultato finale è un proteoma ad alta risoluzione, con risoluzione spaziale e risoluzione a livello di tipo cellulare.

Cosa può fare questa piattaforma che le altre tecnologie proteomiche non riescono a fare?

La caratteristica più importante di questa tecnologia è la sua capacità di risolvere il proteoma spaziale di singoli tipi di cellule. DVP ti consente davvero di studiare le cellule che ti interessano di più nel contesto tissutale a livello proteico. Mentre la maggior parte delle tecnologie omiche oggi offre un'elevata produttività, in genere analizzano le cellule in sospensione, perdendo le loro relazioni contestuali. Al contrario, DVP mantiene queste relazioni contestuali. Consente l'esame delle cellule di interesse all'interno di regioni predefinite e consente l'analisi di vicinato o lo studio del microambiente tumorale. Questa componente spaziale a livello di proteoma è ciò che distingue davvero questa tecnologia.

Cosa ha fatto luce questa tecnologia sui fattori molecolari che determinano la TEN?

Nel nostro recente studio, abbiamo utilizzato DVP per sezionare i percorsi molecolari di diversi tipi di cellule utilizzando biopsie tissutali di pazienti affetti da TEN. La TEN è una malattia rara, ma la capacità di DVP di utilizzare sezioni di tessuto FFPE ci ha consentito di superare questa sfida e generare un profilo proteomico approfondito rispetto ad altre reazioni cutanee ai farmaci ed al tessuto cutaneo sano. I nostri risultati hanno rivelato che il principale percorso di segnalazione infiammatoria nelle cellule immunitarie dei pazienti con TEN era mediato dall'interferone. In linea con questa osservazione, abbiamo identificato un'enorme sovraregolazione di STAT1, un fattore chiave della segnalazione dell'interferone. Data l'esistenza di inibitori JAK approvati per altri disturbi infiammatori, abbiamo sfruttato queste informazioni per riutilizzare uno di questi farmaci, offrendo un nuovo approccio terapeutico per i pazienti con TEN.

Come può questa tecnologia essere sfruttata per comprendere altre malattie e trovare potenziali bersagli farmacologici?

Oltre alla sua capacità unica di analizzare un proteoma spazialmente definito e risolto per tipo di cellula, questa tecnologia si distingue perché consente l'uso di materiali rari e clinicamente rilevanti che sarebbero solitamente difficili da raccogliere in modo prospettico. In sostanza, questa tecnologia è illimitata nelle sue applicazioni.

Hai suggerimenti sulle migliori pratiche da seguire quando si utilizzano DVP od altre tecnologie proteomiche basate sulla spettrometria di massa?

L'uso efficace di DVP e di altre tecnologie di proteomica basate sulla spettrometria di massa richiede una combinazione di competenza tecnica e pianificazione strategica. Il fattore più critico, tuttavia, secondo me, è la definizione della domanda biologica che vi manterrà motivati ​​in tutte le fasi della ricerca.

ENGLISH

Thierry Nordmann (left) is a clinician-scientist and dermatologist with a strong research focus on inflammatory cutaneous disorders. He completed his PhD after his medical studies, investigating anti-inflammatory treatment strategies for type 2 diabetes. Following his training as a dermatologist, Nordmann joined the renowned research group of Matthias Mann at the Max Planck Institute of Biochemistry (Munich, Germany) and has since applied cutting-edge proteomic technologies to gain translational insights into skin diseases.

In this interview from ELRIG Research & Innovation (20–21 March 2024; Manchester, UK), we learned more about the novel technologies Nordmann and colleagues have developed to investigate skin diseases.

What is a cutaneous adverse drug reaction and when does it occur?

Cutaneous drug reactions are inflammatory reactions of the skin that occur as a side effect of a drug. These reactions can vary widely, depending both on the drug administered and the patient receiving the drug. There are very mild diseases that manifest themselves as a simple rash that goes away within a couple of days. In comparison, these reactions can be so severe that they’re life-threatening.

There are certain traits that come with a risk of developing such disorders. However, the mechanisms underlying many cutaneous drug reactions are unknown and yet to be discovered. The most severe form of cutaneous drug reaction is called Toxic Epidermal Necrolysis (TEN), in which fulminant epidermal detachment occurs within hours. Until recently, there was no effective treatment for this potentially lethal disease.

What are the working principles of your Deep Visual Proteomics (DVP) technology?

DVP is an advanced technology that was developed in our laboratory and published in Nature Biotechnology in 2022. It combines the best features of high-content imaging, artificial intelligence (AI) for cellular segmentation and high-sensitivity proteomics. The workflow of DVP includes many individual steps and classically starts with a thin section of the tissue of interest on a specialized membrane slide. One of the advantages of DVP is that we can use routine formalin-fixed and paraffin-embedded (FFPE) samples. These tissue sections are then stained according to standard protocols, ranging from single-color immunohistochemistry to multiplex-immunofluorescence procedures. After scanning, we use AI-driven cellular segmentation methods to identify and segment the cells of interest, thereby creating a ‘map’ of the tissue. From this section, we precisely cut out the cells of interest using a laser-microdissection microscope and collect these cells in an underlying collection plate. We then lyse and digest the samples and finally measure the proteome using high-sensitivity mass spectrometers. What you end up with is a cell-type resolved, high-resolution proteome with spatial resolution.

What can this platform do that other proteomics technologies can’t?

The most important feature of this technology is its ability to resolve the spatial proteome of individual cell types. DVP really allows you to investigate the cells that interest you the most within the tissue context at the protein level. While the majority of omics technologies today offer high throughput, they typically analyze cells in suspension, losing their contextual relationships. In contrast, DVP maintains these contextual relationships. It enables the examination of cells of interest within predefined regions and allows for neighborhood analysis or the study of the tumor microenvironment. This spatial component on a proteome level is what truly sets this technology apart.

What has this technology illuminated about the molecular drivers of TEN?

In our recent study, we used DVP to dissect the molecular pathways of different cell types using tissue biopsies of patients suffering from TEN. TEN is a rare disease, but DVP’s ability to use FFPE tissue sections enabled us to overcome this challenge and generate in-depth proteomic profiling in comparison to other cutaneous drug reactions and to healthy skin tissue. Our findings revealed that the major inflammatory signaling pathway in immune cells of TEN patients were interferon mediated. In line with this observation, we identified a massive upregulation of STAT1, a key driver of interferon signaling. Given the existence of approved JAK inhibitors for other inflammatory disorders, we leveraged this information to repurpose one such drug, offering a new treatment approach for TEN patients.

How can this technology be harnessed to understand other diseases and find potential drugtype resolved, spatially-defined proteome, this targets?

In addition to its unique ability to analyze a cell- technology stands out because it allows the use of clinically relevant, rare materials that would typically be difficult to collect prospectively. Essentially, this technology is boundless in its applications.

Do you have any tips for best practice when using DVP or other mass spectrometry-based proteomics technologies?

Effective use of DVP and other mass spectrometry-based proteomics technologies requires a combination of technical expertise and strategic planning. The most critical factor though, in my opinion, is the definition of the biological question that will keep you motivated through all phases of research.

Da:

https://www.biotechniques.com/proteomics/getting-under-your-skin-deep-visual-proteomics-for-investigating-cutaneous-adverse-drug-reactions/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Daily%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-8YozZgNTD70Yixig156GIkOmC6ajP5GDMAW1W08kGpe3ApTnI_wHyUGj1Dzm3bfpV5SFYKHk2SatspKR1ixrYUq2uFRYBh4E6B2CtNPgNhSgvy_P4&_hsmi=313968104&utm_content=313945623&utm_source=hs_email