Μεταβολομική

5 Φεβρουαρίου 2016

Μεταβολομικές Αναλύσεις

Γράφει η

Δρ Σάββη Μάλλιου Κριαρά

Ειδικός Παθολόγος-Ογκολόγος, MD, PhD

Η μεταβολομική είναι η επιστημονική μελέτη των χημικών μεταβολιτών.

Συγκεκριμένα, η μεταβολομική είναι η «συστηματική μελέτη των μοναδικών χημικών αποτυπωμάτων που οι συγκεκριμένες κυτταρικές διεργασίες αφήνουν πίσω», δηλαδή η μελέτη των προφίλ των μικρών μορίων των μεταβολιτών.

Οι μεταβολίτες σε ένα βιολογικό κύτταρο, ιστό, όργανο ή οργανισμό, είναι τα τελικά προϊόντα των κυτταρικών διεργασιών.

Τα δεδομένα της γονιδιακής έκφρασης των mRNAs και οι πρωτεομικές αναλύσεις αποκαλύπτουν το σύνολο των γονιδιακών προϊόντων που παράγονται στο κύτταρο και αντιπροσωπεύουν την κυτταρική λειτουργία.

Αντιστρόφως, η μεταβολική κατανομή μπορεί να δώσει μια στιγμιαία εικόνα της φυσιολογίας αυτού του κυττάρου.

Μία από τις προκλήσεις της βιολογιας και της λειτουργικής γονιδιωματικής είναι με τον συνδυασμό των πρωτεομικών, μεταγραφικών και μεταβολομικών πληροφοριών να κατανοηθεί καλύτερα η κυτταρική βιολογία.

Τα βιολογικά υγρά αντανακλούν την υγεία ενός ατόμου

Μεταβολομικές Αναλύσεις

Η επιστήμη που μελετά και μετρά τις χημικές αντιδράσεις μέσα σε ένα ζωντανό οργανισμό ονομάζεται Μεταβολομική.

Οι Μεταβολομικές Αναλύσεις (Metabolomic Analysis) είναι εξετάσεις που περιλαμβάνουν τη μέτρηση μικρών μορίων – των μεταβολιτών- προκειμένου να αξιολογηθεί η παρούσα κατάσταση της υγείας ενός ατόμου.

– Gen-omics: μελέτη των γονιδίων

– Prote-omics: μελέτη των πρωτεϊνών

– Metabol-omics: μελέτη των μεταβολιτών

Η μέτρηση βασικών μεταβολιτών είναι ένα από τα πιο ακριβή τεστ που υπάρχουν για την ανίχνευση και τον εντοπισμό συγκεκριμένων διατροφικών και μεταβολικών αιτιών που αφορούν τα χρόνια προβλήματα υγείας.

Με τη χρήση προηγμένων τεχνολογιών εντοπίζονται και μετρώνται χημικές ουσίες σε απειροελάχιστες συγκεντρώσεις (Tandem LC/MS).

Το σώμα μας είναι μια μηχανή που καίει άνθρακα παρουσία οξυγόνου, σε θερμοκρασία 37^∘C. Για να συμβούν οι πολυποίκιλες χημικές αντιδράσεις που χαρακτηρίζουν την ομαλή λειτουργία του οργανισμού μας, είναι απαραίτητη η παρουσία επαρκών ποσοτήτων σε πλειάδα συστατικών.

Με το Μεταβολομικο Προφίλ και την μέτρηση βασικών μεταβολικών δεικτών, μπορούν να μετρηθούν και να καταγραφούν αυτές τις χημικές αντιδράσεις, όπως εξελίσσονται μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό και να εντοπιστούν με μεγάλη ακρίβεια ποιες από αυτές διεκπεραιώνονται κανονικά, ποιες υπολειτουργούν και ποιες υπερλειτουργούν.

Όταν κάποιο μεταβολικό μονοπάτι μέσα στο σώμα μας επηρεάζεται, επηρεάζεται και η λειτουργία όλων των κυττάρων στο σώμα μας.

Η διαγνωστική και θεραπευτική προσέγγιση μέσω τις μέτρησης και καταγραφής των μεταβολιτών του ανθρωπίνου σώματος ονομάζεται Metabolomics.

Μεταβολομική και Εξατομικευμένη Ιατρική

Η μεταβολομική εφαρμόζεται στην διάγνωση και στην πρόληψη νοσημάτων, όπως τα αυτοάνοσα, ο διαβήτης, η κίρρωση, ο καρκίνος, τα καρδιολογικά και τα νευρολογικά νοσήματα.

Το Μεταβολομικό Προφίλ αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι στην εφαρμογή της εξατομικευμένης ιατρικής, στην διερεύνηση των αιτιών της νόσου, αλλά και της διατήρησης της καλής υγείας.

Οι περισσότερες ασθένειες εμφανίζονται κάποια στιγμή αργότερα στη ζωή και εκτός από τους κληρονομικούς παράγοντες υπάρχουν και οι εξωγενείς επιρροές, όπως το περιβάλλον, η διατροφή, η τοξικότητα, το στρες και ο τρόπος ζωής.

Κάθε νόσος έχει ένα διαφορετικό προφίλ μεταβολιτών που μπορεί να αποκαλύψει ισχυρά στοιχεία για τα αίτια και την διάγνωση μιας νόσου.

Με της Μεταβολομικές Αναλύσεις μπορούν να αξιολογηθούν:

– Ο μεταβολισμός των λιπιδίων, όπως τα ωμέγα 3, τα ωμέγα 6, τα μονοακόρεστα και τα κορεσμένα λιπαρά

– Ο μεταβολισμός των νευρικών κυττάρων και των νευροδιαβιβαστών (ουσίες που μεταβιβάζουν τα νευρικά σήματα)

– Ο μεταβολισμός των υδατανθράκων (σάκχαρα, άμυλο, πολύπλοκοι υδατάνθρακες, φρουκτόζη)

– Η οξειδωτική βλάβη και η αντιοξειδωτική ικανότητα του οργανισμού

– Η επάρκεια σε βιταμίνες και μικροθρεπτικά συστατικά

– Η κατάσταση της μικροβιακής χλωρίδας του οργανισμού

– Μικροφλεγμονές

– Η ικανότητα αποτοξίνωσης και η τοξική επιβάρυνση

– Οι παράγοντες μεθυλίωσης του DNA

– Η ικανόητητα διαχείρισης της φλεγμονής

– Η μιτοχονδριακή λειτουργία

– Η ικανότητα παραγωγής ενέργειας των κυττάρων (κύκλος του Κρεμπς)

Η συγκεκριμένη εξέταση δίνει στοιχεία ζωτικής σημασίας για νοσήματα όπως:

– Αυτοάνοσα

– Καρδιολογικά

– Διαβήτης

– Νευρολογικά

– Νοσήματα του γαστρεντερικού

– Χρόνια κόπωση

– Παχυσαρκία

– Καρκίνος

To Metabolomic Profile διενεργείται σε δείγμα αίματος και ούρων, αλλά και σε ιστούς

Ι) Διαγνωστικά δείγματα: Τα δείγματα μπορεί να είναι ιστοί ή υγρά του σώματος, φρούτα, λαχανικά, μικροοργανισμοί, ή οποιοδήποτε άλλο βιολογικό υλικό και γίνεται υψηλή κάλυψη και απόδοση των μεταβολιτών.

II) Διαχωρισμός και ανίχνευση: Οι ενώσεις διαχωρίζονται λόγω φορτίου και μεγέθους με αέρια και υγρή χρωματογραφία παράλληλα. Μετά το διαχωρισμό οι μεταβολίτες εγχέονται στο φασματόμετρο μάζας για να ανιχνευθούν. Η ένωση μπορεί να ανιχνεύεται ως μόριο ή ως θραύσμα. Ο μεταβολίτης μπορεί να ταυτιστεί με την ανιχνευόμενη μάζα. Το μοτίβο θρυμματισμού είναι πολύ συγκεκριμένο για κάθε ένωση και ως εκ τούτου μπορεί να συνδυαστεί με μια βάση δεδομένων γνωστών ενώσεων. Οι άγνωστοι μεταβολίτες σε δείγματα μπορούν να ταυτοποιηθούν χρησιμοποιώντας φασματομετρία μάζας υψηλής ανάλυσης.

III) Βιοπληροφορική: Η πολυπλοκότητα και ο πλούτος των πληροφοριών που ανακτώνται σε ένα μόνο πείραμα καθιστά αναγκαία την βιοπληροφορική υποστήριξη. Με τη βοήθεια λογισμικού, ειδικοί αλγόριθμοι και βάσεις δεδομένων αξιολογούνται τα λαμβανόμενα ανεπεξέργαστα δεδομένα και παράγονται τα αποτελέσματα.

IV) Tαυτοποίηση βιοδεικτών και ερμηνεία δεδομένων: Το πιο σημαντικό και δύσκολο μέρος στο προφίλ μεταβολιτών είναι η ανάλυση του συνόλου δεδομένων, η αξιολόγηση του συνόλου δεδομένων εντός του βιολογικού πλαισίου και η οπτικοποίηση των παραγόμενων αποτελεσμάτων. Οι μεταβολίτες επισημαίνονται και εφαρμόζονται ως βιοδείκτες.

Υπάρχουν τέσσερις εννοιολογικές προσεγγίσεις στο μεταβολομική: η ανάλυση στόχου, το προφίλ μεταβολιτών, η μεταβολομική, και τα μεταβολικά δακτυλικά αποτυπώματα.

Η ανάλυση στόχων περιλαμβάνει τον προσδιορισμό και τον ποσοτικό προσδιορισμό γνωστών μεταβολιτών (στόχοι) χρησιμοποιώντας μια συγκεκριμένη αναλυτική τεχνική.

Το προφίλ των μεταβολιτών, στοχεύει στην ανάλυση ενός μεγαλύτερου συνόλου ενώσεων γνωστών και αγνώστων όσον αφορά τη χημική τους μορφή. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί για πολλά διαφορετικά βιολογικά συστήματα (φυτά, μικρόβια, ούρα, και δείγματα πλάσματος).

Η Μεταβολομική χρησιμοποιεί συμπληρωματικές αναλυτικές μεθοδολογίες, για παράδειγμα, LC-MS / MS, GC-MS, και / ή NMR liquid chromatography mass spectrometry (LC/MS), gas chromatography mass spectrometry (GC/MS), and liquid chromatography nuclear magnetic resonance with a solid phase extraction interface (LC/SPE/NMR), προκειμένου να καθοριστούν και να ποσοτικοποιηθούν, όσο το δυνατόν πιο πολλοί μεταβολίτες γνωστοί και άγνωστοι.

Τα μεταβολικά δακτυλικά αποτυπώματα για εξωτερικούς ή εκκρινόμενους μεταβολίτες είναι η μεταβολική “υπογραφή” ή το μεταβολικό προφίλ που συγκρίνεται με ένα μεγάλο δείγμα πληθυσμού. Οι μεταβολίτες ταυτοποιούνται και η βιολογική σημασία των εν λόγω ενώσεων διευκρινίζονται μειώνοντας σημαντικά το χρόνο ανάλυσης.

Επειδή οι μεταβολίτες είναι τόσο στενά συνδεδεμένοι με το φαινότυπο ενός οργανισμού, η μεταβολομική μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές εφαρμογές: γενετική των τροποποιημένων φυτών και δοκιμασίες ισοδυναμίας, καθορισμός της λειτουργίας των γονιδίων, συσχέτιση του γονοτύπου και φαινοτύπου, λειτουργία των κυττάρων, εντοπισμός νέων ή εντυπωσιακών αλλαγών σε συγκεκριμένους μεταβολίτες. Η ανάλυση των δεδομένων μπορεί, επίσης, να οδηγήσει σε νέες υποθέσεις και νέους στόχους για τη βιοτεχνολογία.

Μεταβολομική και εξέλιξη

Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες έρευνες για την εξέλιξη των ειδών βασίζονται στην κατασκευή των φυλογενετικών δένδρων τους χρησιμοποιώντας αλληλουχίες των γονιδιωμάτων, mRNAs, και / ή πρωτεΐνες. Εντούτοις, η συσχέτιση της έκφρασης των γονιδίων και των πρωτεΐνων είναι χαμηλή, όπως χαμηλή είναι και η συσχέτιση της γονιδιακής έκφρασης και των μεταβολιτών. Ωστόσο, οι δευτερογενείς μεταβολίτες, είναι εξαιρετικά σημαντικοί για τους περισσότερους οργανισμούς για να υπερασπιστούν τους εαυτούς τους από το περιβαλλοντικό άγχος. Αν και οι πρωτογενείς μεταβολίτες που εμπλέκονται στον κεντρικό μεταβολισμό μπορεί να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της διατροφικής κατάστασης, το προφίλ των δευτερογενών μεταβολιτών αντανακλά καλύτερα τη διαφοροποίηση των ειδών και την πολύπλοκη απόκρισή τους σε περιβαλλοντικούς παράγοντες και άλλους οργανισμούς. Έτσι μπορεί να προσδιοριστούν νέοι μηχανισμοί για την προσαρμογή και την ανοχή των φυτών σε αβιοτικές πιέσεις, όπως η ξηρασία, το κρύο, ο παγετός, και οι ελλείψεις ανόργανων αλάτων ή οι τοξικές ενώσεις στα μεγάλα φυτά, όπως τα δημητριακά (κριθάρι σιτάρι) κ.ά.

Η μεταβολομική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτοποίηση και την ταξινόμηση των οργανισμών και οδηγεί σε νέες γνώσεις στην εξέλιξη των ειδών, τους μηχανισμούς επιβίωσης, και τη ζωή γενικά.

Μεταβολομική στη βιολογία

Η μεταβολισμική στοχεύει στην καλύτερη ανάλυση όλων των μικρών μορίων σε ένα κύτταρο. Αυτό είναι μόνο ένα μέρος των κυτταρικών προϊόντων εντός ενός κυττάρου.

Η μέτρηση DNA, mRNA, πρωτεΐνών, μεταβολιτών, και δομικών στοιχείων όπως κυτταρικά τοιχώματα και μεμβράνες, και ο προσδιορισμός της σχέσης των στοιχείων αυτών μεταξύ τους, σαν μέρος της απάντησης του συστήματος σε περιβαλλοντικές ή γενετικές διαταραχές, με τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων μπορούν να εφαρμοστούν σε όλες τις παθολογικές διαταραχές.

Βιολόγοι, ιατροί, φυσικοί, επιστήμονες πληροφορικής, μηχανικοί, χημικοί και μαθηματικοί έχουν μια κοινή γλώσσα που τους επιτρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους.

Ανθρώπινες ασθένειες, όπως ο καρκίνος, τα καρδιαγγειακά νοσήματα, και η παχυσαρκία αντιμετωπίζονται πια έξυπνα, προληπτικά και εξατομικευμένα.