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Approaches for optimizing biomarker profiling using liquid chromatography tandem mass spectrometry
Approaches for optimizing biomarker profiling using liquid chromatography tandem mass spectrometry
Due to its selectivity and versatility, liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC MS/MS) is a key technology in the analysis of complex biomarker panels. However, several issues hamper the significant advance of LC MS/MS in routine laboratory medicine, e.g. limited automation possibilities and the lack of validation regulations and certified external controls. Solutions were developed and investigated to address some of these issues within the scope of this research project: In the first project, a novel validation experiment to address the suitability of a surrogate matrix for calibrators and controls was developed. The feasibility of this experiment could be successfully demonstrated in the validation of a previously established biomarker marker assay for six corticosteroids. Based on these results, a substantial gap could be filled in the validation process of LC MS/MS assays for endogenous compounds. In the second project, ferromagnetic particle enhanced deproteination was evaluated as a potential automatable sample preparation technique for biomarker panels with a broad variety of physicochemical properties. As a demonstration application, an eicosanoid panel including arachidonic acid and six of its metabolites was selected. The validation results confirm that ferromagnetic particle enhanced deproteination in combination with online solid phase extraction is a suitable sample preparation technique for demanding biomarker panels. This generic and automatable sample preparation technique could represent an attractive and novel solution for LC-MS/MS assays for biomarker panels. In summary, the two subprojects of this doctoral thesis deliver valuable solutions to advance the use of biomarker profiling via LC MS/MS in clinical diagnostics., Aufgrund ihrer hohen Selektivität und großen Vielseitigkeit nehmen Flüssigkeitschromatographie-Tandemmassenspektrometrie(LC MS/MS)-Methoden eine Schlüsselrolle beim Biomarker-Profiling ein. Nichtsdestotrotz gestaltet sich die Verwendung dieser Technik in der labormedizinischen Routineanalytik bis heute kompliziert. Dies liegt unter anderem an dem noch recht geringen Automatisierungsgrad der LC MS/MS, am Fehlen von offiziellen Validierungsrichtlinien sowie der Schwierigkeit, zertifizierte externe Kontrollen für neue Biomarkerpanele zu bekommen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Lösungen für einige der zuvor erwähnten Punkte erarbeitet: Das erste Projekt beinhaltete die Entwicklung eines neuen Validierungsexperiments um die tatsächliche Verwendbarkeit einer Surrogatmatrix Kalibrierung für die Quantifizierung von nativen Realmatrix-Proben mit unbekanntem Gehalt zu testen. Dieses neue Experiment konnte erfolgreich in die Validierung eines ebenfalls neu entwickelten Biomarkerassays für sechs Corticosteroide eingebunden werden. Es ist hervorzuheben, dass dieses Experiment eine nennenswerte Lücke in der Validierung von LC MS/MS Assays für endogene Substanzen schließt. Ziel des zweiten Projekts war es herauszufinden, ob Magnetpartikel basierte Proteindepletion als Probenvorbereitung für anspruchsvolle Biomarkerpanele, welche Analyten mit einer großen Bandbreite physiko chemischer Eigenschaften umfassen, geeignet ist. Als exemplarische Anwendung diente ein selbst entwickelter LC MS/MS Assay für sieben Eicosanoide. Im Rahmen einer umfassenden Validierung konnte gezeigt werden, dass Magnetpartikel – in Kombination mit einer Online Festphasenextraktion – für die Probenvorbereitung solcher komplexen Biomarkerpanele sehr gut geeignet sind. Somit stellt diese Art der Probenvorbereitung eine breit anwendbare und zudem automatisierbare Option für LC MS/MS Assays dar. Abschließend ist festzustellen, dass im Rahmen dieser Doktorarbeit wertvolle Lösungen entwickelt und erprobt wurden, um das LC MS/MS basierte Biomarker Profiling in der klinischen Diagnostik voran zu bringen.
Biomarker profiling, LC-MS/MS, laboratory medicine, validation, sample preparation
Suhr, Anna Catharina
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Suhr, Anna Catharina (2017): Approaches for optimizing biomarker profiling using liquid chromatography tandem mass spectrometry. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Due to its selectivity and versatility, liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC MS/MS) is a key technology in the analysis of complex biomarker panels. However, several issues hamper the significant advance of LC MS/MS in routine laboratory medicine, e.g. limited automation possibilities and the lack of validation regulations and certified external controls. Solutions were developed and investigated to address some of these issues within the scope of this research project: In the first project, a novel validation experiment to address the suitability of a surrogate matrix for calibrators and controls was developed. The feasibility of this experiment could be successfully demonstrated in the validation of a previously established biomarker marker assay for six corticosteroids. Based on these results, a substantial gap could be filled in the validation process of LC MS/MS assays for endogenous compounds. In the second project, ferromagnetic particle enhanced deproteination was evaluated as a potential automatable sample preparation technique for biomarker panels with a broad variety of physicochemical properties. As a demonstration application, an eicosanoid panel including arachidonic acid and six of its metabolites was selected. The validation results confirm that ferromagnetic particle enhanced deproteination in combination with online solid phase extraction is a suitable sample preparation technique for demanding biomarker panels. This generic and automatable sample preparation technique could represent an attractive and novel solution for LC-MS/MS assays for biomarker panels. In summary, the two subprojects of this doctoral thesis deliver valuable solutions to advance the use of biomarker profiling via LC MS/MS in clinical diagnostics.

Abstract

Aufgrund ihrer hohen Selektivität und großen Vielseitigkeit nehmen Flüssigkeitschromatographie-Tandemmassenspektrometrie(LC MS/MS)-Methoden eine Schlüsselrolle beim Biomarker-Profiling ein. Nichtsdestotrotz gestaltet sich die Verwendung dieser Technik in der labormedizinischen Routineanalytik bis heute kompliziert. Dies liegt unter anderem an dem noch recht geringen Automatisierungsgrad der LC MS/MS, am Fehlen von offiziellen Validierungsrichtlinien sowie der Schwierigkeit, zertifizierte externe Kontrollen für neue Biomarkerpanele zu bekommen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Lösungen für einige der zuvor erwähnten Punkte erarbeitet: Das erste Projekt beinhaltete die Entwicklung eines neuen Validierungsexperiments um die tatsächliche Verwendbarkeit einer Surrogatmatrix Kalibrierung für die Quantifizierung von nativen Realmatrix-Proben mit unbekanntem Gehalt zu testen. Dieses neue Experiment konnte erfolgreich in die Validierung eines ebenfalls neu entwickelten Biomarkerassays für sechs Corticosteroide eingebunden werden. Es ist hervorzuheben, dass dieses Experiment eine nennenswerte Lücke in der Validierung von LC MS/MS Assays für endogene Substanzen schließt. Ziel des zweiten Projekts war es herauszufinden, ob Magnetpartikel basierte Proteindepletion als Probenvorbereitung für anspruchsvolle Biomarkerpanele, welche Analyten mit einer großen Bandbreite physiko chemischer Eigenschaften umfassen, geeignet ist. Als exemplarische Anwendung diente ein selbst entwickelter LC MS/MS Assay für sieben Eicosanoide. Im Rahmen einer umfassenden Validierung konnte gezeigt werden, dass Magnetpartikel – in Kombination mit einer Online Festphasenextraktion – für die Probenvorbereitung solcher komplexen Biomarkerpanele sehr gut geeignet sind. Somit stellt diese Art der Probenvorbereitung eine breit anwendbare und zudem automatisierbare Option für LC MS/MS Assays dar. Abschließend ist festzustellen, dass im Rahmen dieser Doktorarbeit wertvolle Lösungen entwickelt und erprobt wurden, um das LC MS/MS basierte Biomarker Profiling in der klinischen Diagnostik voran zu bringen.