2019 September - Gerald Stübiger

Dr. Gerald Stübiger

MedUni Wien RESEARCHER OF THE MONTH, September 2019

Die Jury „Researcher of the Month” verleiht die Auszeichnung für diesen Monat Herrn Dr. Gerald Stübiger aus Anlass der im Top-Journal „Analytical Chemistry“ (IF 6.042) erschienenen Arbeit
„MALDI-MS Protein Profiling of Chemoresistance in Extracellular Vesicles of Cancer Cells“

MALDI-MS von extrazellulären Vesikeln ermöglicht Differenzierung von Chemoresistenzen unterschiedlichen Grades in Krebszellen

Die Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation Massenspektrometrie (MALDI-MS) stellt nicht nur eine sehr empfindliche, sondern auch robuste und kostengünstige Analysenmethode dar. Ein besonderer Vorteil dieser Technik ist die Möglichkeit, ein breites Spektrum von Molekülen aus praktisch allen Arten von biologischen Proben (z.B. Zellkultur, Gewebe, Körperflüssigkeiten, usw.) zu messen und so ein "Biomarkerprofil" zu erstellen. Dabei dauert die Aufnahme einer Probe in der Regel nur einen Bruchteil einer Minute. Dies macht MALDI-MS besonders für klinische Anwendungen attraktiv [2]. Während MALDI-MS im Bereich der Identifizierung von Bakterien bereits weltweit routinemäßig eingesetzt wird, steckt die Anwendung im Bereich der Krebsdiagnostik noch in den Kinderschuhen.

Mit der vorliegenden Arbeit ist es nun erstmalig gelungen, diese Technik für den Nachweis von Proteinmustern aus extrazellulären Vesikeln (EVs) von chemoresistenten Krebszellen einzusetzen. EVs stellen zelluläre Organellen im Nanometer-Bereich (~30-200 nm) dar, die praktisch in allen Körperflüssigkeiten (z.B. Blut, Urin, Speichel, usw.) von Tieren und Menschen nachgewiesen werden können und eine Vielzahl potentieller Biomarkermoleküle (z.B. DNA, RNA, Proteine, Lipide, usw.) tragen [3, 4].

Dabei konnte gezeigt werden, dass es mittels MALDI-MS unter Anwendung multivariater Statistik anhand der Proteinmuster von EVs möglich ist, eine Differenzierung von resistenten und sensitiven Krebszellen bzw. auch unterschiedlichen Grades von Chemoresistenzen vorzunehmen. Zu diesem Zweck wurde ein zelluläres Darmkrebsmodell, bestehend aus sensitiven, primären Tumorzellen, sowie einer Lymphknoten-Metastasen Zellinie und deren Subklonen mit steigender Resistenz gegen 5-Fluorouracil, eingesetzt [5]. Die Daten der EVs lieferten dabei sogar bessere Ergebnisse als jene der entsprechenden Ausgangszellen selbst. Dies deutet darauf hin, dass EVs bestimmte Proteine exprimieren, die direkt mit der Anpassung der Zellen an steigende Dosen von Chemotherapeutika in Zusammenhang stehen und mit deren Verbreitung im Organismus im Zuge der Metastasierung in Verbindung stehen könnten. Übersetzt auf den lebenden Organismus, stellt dies ein starkes Argument für die Vorteile der Flüssigbiopsie (d.h. der Diagnostik aus Körperflüssigkeiten) dar.

Diese Arbeit öffnet den Weg in ein völlig neues Gebiet der Anwendung von MALDI-MS in der klinischen Diagnostik und darüber hinaus. Durch die universelle Verbreitung von EVs sind der Technik grundsätzlich keine Grenzen gesetzt. Aufgrund der geringen Größe und Konzentration von EVs werden allerdings Techniken höchster Sensitivität benötigt, um deren gesamtes diagnostisches Potential analytisch ausschöpfen zu können. Wie die Experimente zeigten, würde die aus den Zellüberständen isolierte Menge an EVs ausreichen, um ein charakteristisches Proteinprofil auch aus wenigen Millilitern Blut mittels MALDI-MS messen zu können. Das macht zuversichtlich, die Methodik nach entsprechender Optimierung in eine Routineanwendung bringen zu können.

Wissenschaftliches Umfeld

Dr. Stübiger begann seine wissenschaftliche Tätigkeit im Bereich der MALDI-MS bereits während des Diplomstudiums und seines Doktorats, das er im Jahr 2002 mit Auszeichnung abschloss, in der Arbeitsgruppe von Prof. G. Allmaier am Institut für Analytische Chemie der Uni Wien. Im Anschluss war er als Postdoc an der TU Wien tätig, wo er seine Kenntnisse im Bereich der Charakterisierung von humanen Glykoproteinen (z.B. EPO) und der Entwicklung von „Protein-Chips“ für klinische Anwendungen vertieften konnte [6]. Im Jahr 2008 wechselte er an das Institut für Gefäßbiologie und Thromboseforschung der MedUni Wien unter Prof. B. Binder. Dort erforschte er die Modifikation von Phospholipiden und Lipoproteinen durch oxidativen Stress im Zusammenhang mit Entzündungsprozessen, Atherosklerose und Gefäßerkrankungen [7-9]. Während dieser Zeit konnte er auch seine schon während des PhD Studiums begonnene Kooperation mit Prof. K. Widhalm von der Univ.-Klinik für Kinder- und Jugendheilkunde der MedUni Wien vertiefen, wobei er sich mit der Analyse von Neutral- und Phospholipiden in Patienten mit Lipidstoffwechselstörungen (z.B. familiärer Hypercholesterinämie) beschäftigte [10]. Seine Expertise im Bereich der MALDI-MS von Lipiden und Proteinen ermöglichte ihm die Zusammenarbeit mit verschiedenen Arbeitsgruppen an der MedUni Wien und eröffnete ihm die Möglichkeit zur Etablierung nationaler und internationaler Kooperationen mit akademischen (z.B. Aix-Marseille Universität, Max Planck Institut für Infektionsbiologie, usw.) und industriellen Partnern (z.B. Shimadzu, Octapharma, Technoclone, usw.), aus der diverse Publikationen in Top-Journalen entstanden sind [11-15]. Dabei liegen „Pionierarbeiten“ an der Schnittstelle zwischen Grundlagen- und angewandter Forschung für ihn an erster Stelle seines Interesses. Im Jahr 2011 schloss er sich dem Forschungscluster “Cell Signaling and Metabolism” unter Leitung von Prof. Dr. T. Grunt von der Klinischen Abteilung für Onkologie an, um die Effekte von Fettsäuresynthase-Inhibitoren (z.B. Epigallocatechin-3-gallate) auf den Lipidstoffwechsel von Krebszellen zu untersuchen [16]. Sein derzeitiger Forschungsschwerpunk liegt auf der Etablierung von MALDI-MS für die Analyse von Biomarkern aus Flüssigbiopsien in dessen Rahmen die hier ausgezeichnete Arbeit entstanden ist.

Zur Person

Dr. Stübiger wurde 1971 in Wien geboren. Er studierte von 1989 bis 1997 Biologie (Diplom) und im Anschluss Chemie (Doktorat) an der Uni Wien, wo er 2002 mit Auszeichnung promovierte. Nach Abschluss seines PhD Studiums war er von 2003 bis 2007 Postdoc an der TU Wien. Im Jahr 2008 kam er an die MedUni Wien, wo er bis 2014 am Institut für Gefäßbiologie und Thromboseforschung als Forschungsassistent und Projektleiter tätig war. 2015 wechselte er an die Klinische Abteilung für Nuklearmedizin der Univ. Klinik für Radiologie und Nuklearmedizin, wo er in Kooperation mit Firmenpartnern ein Labor für klinische Anwendungen von MALDI-MS aufbauen konnte.

Dr. Stübiger konnte im Laufe seiner Forschungstätigkeit an der MedUni Wien verschiedene auf dieser Technik beruhende Projekte initiieren bzw. einwerben. Für seine Arbeit über Erythropoietin erhielt er 2007 den Beynon Price für das beste im Journal „Rapid Communications of Mass Spectrometry“ veröffentlichte Paper. Im selben Jahr nahm er das Angebot zur Mitgliedschaft in der „American Chemical Society (ACS)“ an. Seit 2011 ist er Mitglied des Comprehensive Cancer Center (CCC) der MedUni Wien und seit 2016 der „European Association of Cancer Research (EACR)“.

Ausgewählte Literatur

1. Stübiger G., Nairn M. D., Abban T. K., Openshaw M. E., Mancera L., Herzig B., Wuczkowski M., Senfter D., Mader R. M. MALDI-MS Protein Profiling of Chemoresistance in Extracellular Vesicles of Cancer Cells. Anal. Chem. (2018), 90, 13178−13182. doi: 10.1021/acs.analchem.8b03756.
2. Fuh M., Heikaus L., Schlüter H. MALDI mass spectrometry in medical research and diagnostic routine laboratories. Int. J. Mass Spectrom. 2017, 416, 96-109.
3. Vlassov A. V., Magdaleno S., Setterquist R., Conrad R. Exosomes: current knowledge of their composition, biological functions, and diagnostic and therapeutic potentials. Biochim. Biophys. Acta. 2012, 1820, 940-948.
4. Kreimer S., Belov A. M., Ghiran I., Murthy S. K., Frank D. A., Ivanov A. R. Mass-Spectrometry-Based Molecular Characterization of Extracellular Vesicles: Lipidomics and Proteomics. J. Proteome Res. 2015, 14, 2367−2384.
5. Schmidt W. M., Kalipciyan M., Dornstauder E., Rizovski B., Steger G. G., Sedivy R., Mueller M. W., Mader R.M. Dissecting progressive stages of 5-fluorouracil resistance in vitro using RNA expression profiling. Int. J. Cancer 2004, 112, 200-212.
6. Stübiger G., Marchetti M., Reichel C., Nagano M., Gmeiner G., Allmaier G. Molecular structural characterization of doping relevant recombinant human erythropoietins by means of matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight mass spectrometry Rapid Commun. Mass  Spectrom. (2005) 19, 728–742.
7. Stübiger G., Belgacem O., Rehulka P., Bicker W., Binder B., Bochkov V. Analysis of Oxidized Phospholipids by MALDI Mass Spectrometry using 6-Aza-2-thiothymine together with Matrix Additives and disposable Target Surfaces. Anal. Chem. (2010) 82, 5502-5510.
8. Stübiger G., Wuczkowski M., Bicker W., Belgacem O. Nanoparticle-based Detection of Oxidized Phospholipids by MALDI mass spectrometry – Nano-MALDI approach. Anal. Chem. (2014), 86, 6401-6409.
9. Haller E., Stübiger G., Lafitte D., Lindner W., Lämmerhofer M. Chemical Recognition of Oxidation-Specific Epitopes in Low-Density Lipoproteins by a Nanoparticle Based Concept for Trapping, Enrichment, and Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry Analysis of Oxidative Stress Biomarkers. Anal Chem. (2014), 86, 9954-9961.
10. Stübiger G., Aldover-Macasaet E., Bicker W., Sobal G., Willfort-Ehringer A., Pock K., Bochkov V., Widhalm K., Belgacem B. Targeted profiling of atherogenic phospholipids in human plasma and lipoproteins of hyperlipidemic patients using MALDI-QIT-TOF-MS/MS. Atherosclerosis (2012) 224, 177-186.
11. Frey M.K., Alias S., Winter M. P., Redwan B., Stübiger G., Panzenboeck A., Alimohammadi A., Bonderman D., Jakowitsch J., Bergmeister H., Bochkov V., Preissner K. T., Lang I. M. Splenectomy Is Modifying the Vascular Remodeling of Thrombosis. J. Am. Heart Assoc. (2014), 3:e000772.
12. Buchmayer F., Schicker K., Steinkellner T., Geier P., Stübiger G., Hamilton P. J., Jurik A., Stockner T., Yang J. W., Montgomery T., Holy M., Hofmaier T., Kudlacek O., Matthies H. J., Ecker G. F., Bochkov V., Galli A., Boehm S., Sitte H. H. Amphetamine actions at the serotonin transporter rely on the availability of phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A (2013), 110, 11642-11647.
13. Resch U., Tsatsaronis J. A., Le Rhun A., Stübiger G., Rohde M., Kasvandik S., Holzmeister S., Tinnefeld P., Wai S. N., Charpentier E. A Two-Component Regulatory System Impacts Extracellular Membrane-Derived Vesicle Production in Group A Streptococcus. mBio (2016), 7(6), e00207-16. doi: 10.1128/mBio.00207-16.
14. Stübiger G., Wuczkowski M., Mancera L., Lopandic K., Sterflinger K., Belgacem O. Characterization of yeasts and filamentous fungi using MALDI lipid phenotyping. J. Microbiol. Methods (2016), 130, 27-37.
15. Rossiter H., Stübiger G., Gröger M., König U., Gruber F., Sukseree S., Mlitz V., Buchberger M., Oskolkova O., Bochkov V., Eckhart L., Tschachler E. Inactivation of autophagy leads to changes in sebaceous gland morphology and function. Exp. Dermatol. (2018), 27(10):1142-1151. doi: 10.1111/exd.13752.
16. Wagner R., Stübiger G., Veigel D., Wuczkowski M., Lanzerstorfer P., Weghuber J., Karteris E., Nowikovsky K., Wilfinger N., Singer C. F., Colomer R., Benhamú B., López-Rodríguez M. L., Valent P., Grunt T. W. Multi-Level Silencing of Receptor-PI3K-mTORC1 by Fatty Acid Synthase Inhibitors is Crucial for their Efficacy against Ovarian Cancer Cells. Oncotarget (2017), 8:11600-11613. doi: 10.18632/oncotarget.14591.