Proteins are essential for cellular function and for the health of an organism in general. However, their dysfunction can potentially lead to diseases, making them diagnostically informative biomarkers that provide insights into biological processes and various disease mechanisms. Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) enables large-scale identification and quantification of proteins, demonstrating immense potential in clinical studies. Discovery LC-MS approaches profiles proteomes, identifies potential biomarkers, which can then be translated into biomarker panels for routine-applicable, absolute quantified targeted approaches. However, challenges such as insufficient quantification and comparability of high-throughput techniques hinders the widespread application of LC-MS in clinics. This thesis addresses these challenges by advancing technologies and integrating discovery and targeted proteomics to achieve a tangible solution that balances sensitivity, selectivity, as well as comparability between platforms with cost efficiency. After an introduction (Chapter I) to the topic, Chapter II introduces the Zeno SWATH method, which improves throughput and analytical coverage while minimising sample input and thus costs. Chapter III describes the development and application of a targeted LC-MRM biomarker panel for the stratification of disease severity and prognosis of COVID-19 plasma cohort. In Chapter IV, discovery and targeted proteomics were employed for the first plasma proteomics analysis of Mpox, demonstrating the value of LC-MS in meeting urgent clinical demands and the versatility of LC-MRM biomarker panel in diverse diseases. To harmonise quantification between LC-MS platforms and methods, Chapter V develops the ‘Charité Open Peptide Standard for Plasma Proteomics (OSPP)’, a panel of 211 stable isotope-labelled peptides, which enables cross-platform comparability at minimal cost and high sample throughput in large-scale clinical plasma-based studies. Overall, this thesis advances LC-MS technologies for blood biomarker studies and their clinical applications, providing tangible solutions for clinical proteomics by introducing streamlined workflows and universal biomarker panels that are adaptable across diseases and analytical platforms, bringing proteomics closer to routine clinical applications.
Proteine sind essentiell für eine normale Zellfunktion und für die Gesundheit eines Organismus generell. Ihre Fehlfunktion kann jedoch auch zu Krankheiten führen, was sie zu diagnostisch informativen Biomarkern macht, die Einblicke in biologische Prozesse und diverse Krankheitsmechanismen bieten. Die Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS) ermöglicht die großangelegte Identifizierung und Quantifizierung von Proteinen und zeigt großes Potenzial in der klinischen Proteomik. Mittels explorativer LC-MS-Ansätze können potenzielle Biomarker identifiziert werden, die anschließend in routinetaugliche Panels für absolute Proteinquantifizierung übersetzt werden können. Zahlreiche Herausforderungen, wie etwa eine begrenzte Fähigkeit zur Quantifizierung, sowie eine limitierte Vergleichbarkeit erschweren bislang eine breite klinische Anwendung von LC-MS. Diese Dissertation adressiert die genannten Herausforderungen durch technologische Weiterentwicklungen und die Integration von explorativer und zielgerichteter Proteomik, hin zu einer Lösung, die eine ausgeglichene Sensitivität und Selektivität, als auch Vergleichbarkeit zwischen Plattformen bei Kosteneffizienz ermöglicht. Nach der Einleitung (Kapitel I), führt Kapitel II die explorative Zeno-SWATH LC-MS Methodik ein, die sowohl den Probendurchsatz, als auch die analytische Abdeckung von Proteinen bei minimalem Probenverbrauch verbessert und dadurch auch Kosten reduziert. Kapitel III beschreibt die Erstellung und Anwendung eines zielgerichteten LC-MRM-Biomarker-Panels, welches die Stratifizierung der Krankheitsschwere und Prognose einer COVID-19 Erkrankung ermöglicht. Kapitel IV wendet explorative und zielgerichtete Proteomik-Techniken erstmals auf Mpox an und demonstriert die vielseitige Nutzbarkeit des LC-MRM-Biomarker-Panels für eine Patientenstratifizierung anderer Krankheiten. Kapitel V entwickelt den „Charité Open Peptide Standard for Plasma Proteomics (OSPP)“, ein Panel bestehend aus 211 stabil-isotopen-markierten Peptiden, welches plattformübergreifende Vergleichbarkeit bei minimalen Kosten und hohem Probendurchsatz in großangelegten klinischen Studien ermöglicht. Insgesamt trägt diese Dissertation zur Weiterentwicklung der LC-MS-Technologien für Blut-Biomarker-Studien bei und bringt die Proteomik näher an eine routinemäßige Anwendung in der Klinik.
