Proteomic Profiling of Cerebrospinal Fluid in Patients with Medulloblastoma = 수모세포종 환자의 뇌척수액 단백체 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Introduction: Cerebrospinal fluid (CSF) plays an important role in brain tumors, including medulloblastoma (MBL). CSF proteomics studies have mainly focused on extracellular vesicle (EV) proteins, rather than the total CSF proteome. Recent advancements in mass spectrometry systems and ‘Omics’ data analysis methods enable unbiased, high proteome depth research. We conducted proteomic profiling of the total CSF in MBL patients with the purpose of finding a potential diagnostic biomarker for MBL.
Methods: CSF samples from patients with MBL and hydrocephalus (HC, control) were analyzed using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC‒MS/MS) (MBL=21, HC=14). An enrichment analysis of canonical pathways and differentially expressed proteins (DEPs) was performed. Feature selection of the proteins was conducted using the analysis of variance F value and fast correlation-based filter methods. The selected proteins were validated through ELISA (MBL=11, HC=7) and EV characterization using ExoView systems (MBL=17, HC=9).
Results: We quantified 1,112 proteins per CSF sample. We further investigated 273 DEPs extracted from a comparison of MBL and HC. Hierarchical clustering of DEPs between MBL and HC clearly showed classification into two groups. Feature selection identified four elevated soluble proteins (SPTBN1, HSP90AA1, TKT, and NME1-NME2) in MBL CSF. Validation with ELISA confirmed that TKT was significantly elevated in MBL compared to HC, as well as in Group 4 MBL and leptomeningeal seeding (LMS). Additionally, TKT-positive EVs were significantly enriched in MBL CSF compared to HC CSF and correlated with the burden of LMS.
Conclusion: Our results provide insights into the proteomics data of the total CSF of MBL patients. Furthermore, we identified the significance of TKT within the total CSF and its presence within circulating EVs in the CSF. We suggest that TKT may serve as a biomarker for MBL, particularly for the diagnosis of LMS.

국문 초록 (Abstract)

서론: 뇌척수액(Cerebrospinal fluid, CSF)은 수모세포종(Medulloblastoma, MBL) 등 여러 뇌종양에서 중요한 역할을 담당한다. 최근 단백체 분석에서 질량분석기술과 오믹스 데이터 분석 방법의 발전으로 인하여 높은 심도의 분석 및 연구가 가능 해졌다. 본 연구에서는 수모세포종 환자의 CSF에서 전체 단백체 분석을 수행하여 수모세포종의 CSF의 단백체적 특성을 확인하고 단백질 중 진단 바이오마커로 활용 가능한 후보 단백질을 찾고자 하였다.
방법: MBL 환자 21명과 수두증(Hydrocephalus, HC, 대조군) 환자군 7명에서 CSF를 수집하고, 이를 편향 없는 액체 크로마토그래피-탠덤 질량 분석법을 통해 분석하였다. 이 분석 결과를 이용하여 차등 발현 단백질(Differentially Expressed Proteins, DEPs) 분석을 시행하였다. 이후 분산분석과 빠른 상관 기반 필터(Fast Correlation-Based Filter) 방법을 이용하여 특징 단백질 선별을 시행하고, 이를 11명의 MBL CSF 과 7명의 HC CSF에서 효소면역분석법(ELISA)을 통해 검증하였다. 나아가서 ExoView 시스템을 활용하여 세포외 소포체(Extracellular vesicle, EV)에서 해당 단백질이 유의미하게 관찰되는지 분석하였다 (MBL=17명, HC=9명).
결과: 각 환자의 샘플 당 평균 1,112개의 단백질을 검출할 수 있었으며, MBL와 HC 군 단백체 분석 결과에서 DEP 분석을 통해 총 273개의 DEP를 도출하였다. MBL과 HC의 DEP 결과를 이용하여 계층 군집 분석을 한 결과, 두 집단의 단백체 특성이 명확히 구분됨을 확인하였다. 특징 단백질 선별을 통해 다음 상위 4개의 증가된 단백질(SPTBN1, HSP90AA1, TKT, NME1-NME2)을 MBL에서 선별하였다. ELISA 분석을 통해 검증을 했을 때 TKT 단백질만이 MBL에서 유의미하게 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한 MBL 중에서도 Group 4 아형과 뇌척수막 전이가 있는 경우 유의하게 증가된 것으로 나타났다. ExoView 분석에서 MBL 군에서 TKT 양성 EV의 비율이 HC에 비해 유의하게 높았으며, 이는 뇌척수막 전이의 진행 정도 와 상관관계를 보였다.
결론: 본 연구를 통해서 MBL의 CSF 단백체적 특성을 파악할 수 있었다. 또한, TKT 단백질이 MBL 환자의 전체 CSF 및 EV에서 유의미하게 증가되어 있고 뇌척수막 전이와 상관관계를 보였다. 이는 MBL에서 TKT가 진단 및 뇌척수막 전이의 중요한 바이오마커가 될 수 있음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• Methods 2
• Results 11
• Discussion 22
• References 26
• Abstract in Korean 45