Martina Collotta, Ινστιτούτο Καρκίνου Candiolo –Τορίνο (Candiolo Cancer Institute – FPO, Torino)
Φαίνεται πως υπάρχει μια ωμική επιστήμη που αγκαλιάζει όλες τις άλλες και είναι η μεταβολομική.
H συμμετοχή της γονιδιωματικής, της επιγενωμικής, της μεταγραφικής και της πρωτεομικής, σε συνδυασμό με την ολική μελέτη των κυτταρικών μεταβολιτών (μεταβολομική), αποδίδουν νέα δεδομένα στην έρευνα εάν διασυνδεθούν μεταξύ τους.
Πηγαίνουμε προς την διατομική, δηλαδή τη μελέτη του συνόλου των μοριακών αλληλεπιδράσεων που συμβαίνουν σε έναν οργανισμό και οι προσδοκίες είναι οι μεμονωμένες ωμικές που έχουν εξεταστεί μέχρι στιγμής, μαζί με τη μεταβολομική που θα εξετάσουμε τώρα σε βάθος.
Ένα δίκτυο μεταβολικών αλληλεπιδράσεων για την περιγραφή του κυττάρου
Γονιδίωμα, μεταγραφή και πρωτεΐνες. Στο κύτταρο, όλα είναι τώρα έτοιμα να ξεκινήσουν τις μεταβολικές διαδικασίες, από τις πιο απλές έως και τις πιο πολύπλοκες από αυτές, αλλά και από εκείνες που είναι κοινές σε όλα τα κύτταρα έως εκείνες που είναι συγκεκριμένες για κάθε τύπο κυττάρου.
Οι παραγόμενοι από όλες αυτές τις κυτταρικές βιοχημικές διαδικασίες μεταβολίτες, τόσο οι τελικοί όσο και αυτοί που αποτελούν τα ενδιάμεσα στάδια των μεταβολικών οδών, δίνουν στα κύτταρα ένα μοναδικό βιοχημικό αποτύπωμα, ένα εύγλωττο ίχνος των διαδικασιών που έχουν πραγματοποιηθεί.
Η Βιοχημική Γενετική (Γενετική Μεταβολομική) ασχολείται ακριβώς με τη μελέτη αυτών των ιχνών, μέσω της συστηματικής μελέτης των «βιοχημικών αποτυπωμάτων» που αφήνουν οι ενδοκυτταρικές μεταβολικές διεργασίες και αποτελούνται από τους ίδιους μεταβολίτες.
Το σύνολο των μεταβολιτών, τα μικρά μόρια που υπάρχουν σε ένα κύτταρο (ή κατ ‘επέκταση, σε έναν ιστό, όργανο ή οργανισμό), ονομάζεται μεταβόλωμα. Λέγοντας μικρά μόρια, εννοούμε αυτά που είναι χαμηλότερα από 1 kDa (ή 1,5 kDa, ανάλογα με την τεχνική ανάλυσης που χρησιμοποιείται), δηλαδή αποκλείουμε, για παράδειγμα, τις αλυσίδες αμινοξέων και πολυσακχαρίτες, ενώ αναλύονται εις βάθος δευτεροταγής αγγελιοφόροι και μόρια διακυτταρικής σηματοδότησης. Γενικά, όταν μιλάμε για μεταβόλωμα, αναφερόμαστε στα τελικά προϊόντα μιας βιοχημικής διεργασίας, αλλά η παρουσία των λεγόμενων ενδιάμεσων μεταβολιτών είναι θεμελιώδους σημασίας για την αναγνώριση των βημάτων που αποτελούν το ίδιο το μεταβολικό μονοπάτι.
Μπορούμε επίσης να κατανοήσουμε τη μεταβολομική πέρα από αποτυπώματα και ίχνη, αλλά και ως ένα στιγμιότυπο του κυττάρου που μας λέει τι κάνει, σε ποια φάση του κυτταρικού κύκλου βρίσκεται, εάν αντιμετωπίζει μια στρεσογόνα κατάσταση ή εάν πραγματοποιεί τη φυσιολογική του λειτουργία δίχως διαταραχή.
Η ενσωμάτωση της γονιδιωματικής, της μεταγραφικής, της πρωτεομικής και της μεταβολικής είναι η φιλόδοξη οδός που η βιολογία των συστημάτων προτίθεται να ακολουθήσει για να δώσει ένα νέο πρόσωπο στη μοριακή βιολογία.
Ακριβώς για αυτόν τον φιλόδοξο σκοπό, γίνεται ήδη λόγος για την διατομική, πέρα από τη μελέτη των μοριακών αλληλεπιδράσεων ενός κυττάρου, ιστού ή οργανισμού, σε συστημικό επίπεδο.
Η περιγραφή του κυττάρου (ή ιστού ή οργανισμού) ως δικτύου πολύπλοκων βιοχημικών αλληλεπιδράσεων θα αποτελούσε το τελικό αποτέλεσμα των επιτευγμάτων μιας νέας βιολογίας ικανής να περιγράψει, να αναλύσει και να κατανοήσει τη μεταβολική δυναμική των κυττάρων.
Μια επιστήμη ακόμα παλαιότερη από ό,τι πιστεύαμε
Ας μην ξεγελιόμαστε από το επίθημα -omics: η μεταβολομική είναι τόσο παλιά επιστήμη όσο και η ιατρική.
Από την εποχή του Ιπποκράτη και της Ιατρικής των χυμών. (Σύμφωνα με τον Ιπποκράτη, τον πατέρα της Ιατρικής, το σώμα μας εκκρίνει τέσσερις “χυμούς”: την μέλαινα χολή (μέλαν = σκούρο, εξ ου και η λέξη “μελάνι”), που αντιστοιχεί στο στοιχείο της Γης, το φλέγμα, που αντιστοιχεί στο στοιχείο του Ύδατος, το αίμα, που αντιστοιχεί στο στοιχείο του Αέρος και την ξανθή χολή, που αντιστοιχεί στο στοιχείο του Πυρός.
Η αρμονική συνύπαρξη των τεσσάρων αυτών χυμών στο σώμα, χωρίς να υπερτερεί κάποιος εις βάρος των υπολοίπων, διατηρεί τον οργανισμό του ανθρώπου σε υγιή κατάσταση). Το ίδιο εφαρμοζόταν και στα μεσαιωνικά χρόνια, όπου η πρόδρομη ανάλυση των ούρων επέτρεπε να καταλάβουμε πολλά για την κατάσταση της υγείας του ασθενούς (δοκιμάζονταν γευστικά τα ούρα για να καταλάβουν αν ήταν γλυκά και, δεν ήταν τίποτα περισσότερο από μια πρωτόγονη διάγνωση του διαβήτη!).
Φαίνεται λοιπόν ότι η ιατρική έχει βρει στους οργανικούς μεταβολίτες μια χρήσιμη πηγή για τη διάγνωση των περισσότερων διαφορετικών ασθενειών, πολύ πριν από την αναλυτική μελέτη των ιδίων.
Τώρα φαίνεται σχεδόν ότι πρέπει να επιτελεστεί η αντίθετη προσπάθεια δηλαδή να κατανοηθεί πώς να εξαχθεί μια κλινική χρησιμότητα από μια προφανώς στείρα βιοχημική ανάλυση αλλά αυτή η γρήγορη ματιά στο παρελθόν μπορεί να μας βοηθήσει στο πώς να επιτευχθεί τώρα η μεγαλύτερη ωφελούμενη λεπτομέρεια από τη μοριακή βιολογία, που δεν είναι τίποτα άλλο από ένα όπλο επιπλέον που προστίθεται σε μια χιλιετή κληρονομιά της μεταβολομικής γνώσης.
Η έννοια του μεταβολικού προφίλ χρονολογείται στη δεκαετία του 1940 και αναφέρεται σε μεταβολίτες χαρακτηριστικούς για κάθε άτομο, που υπάρχουν σε σωματικά υγρά όπως ούρα και σάλιο.
Ο Ρότζερ Ουίλιαμς εισήγαγε αυτήν την ιδέα κατά τη διάρκεια των μελετών που διεξήγαγε μέσω χρωματογραφίας πάνω στη σχιζοφρένεια. Ήταν η αυγή της μεταβολομικής ενώ, ωστόσο ακόμα, δεν υπήρχαν τα μέσα για τη ποσοτική ανάλυση των μεταβολιτών.
Η μετάβαση από ποιοτική σε ποσοτική ανάλυση πραγματοποιήθηκε τη δεκαετία του 1970 χάρη στον συνδυασμό της αέριας χρωματογραφίας και φασματομετρίας μάζας, από τους Horning, Pauling και Robinson.
Τα ίδια χρόνια, η χρήση του Πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (Nuclear magnetic resonance) (NMR) για φασματοσκοπική ανάλυση, που εισήχθη ήδη από τη δεκαετία του 1940, εφαρμόστηκε επίσης στη μελέτη των μεταβολιτών που υπάρχουν σε βιολογικά δείγματα. Οι μεταβολικές αναλύσεις που εκμεταλλεύονται φασματοσκοπικές και τεχνικές NMR ακολουθούν η μία την άλλη, χάρη στις τεχνολογικές εξελίξεις που έχουν βελτιώσει τις τεχνολογίες.
Τα δεδομένα που συλλέγονται πολλαπλασιάζονται και το 2005, γεννήθηκε η πρώτη ηλεκτρονική βάση δεδομένων (METLIN) για τη συλλογή δεδομένων στην μεταβολομική του ανθρώπου.
Σε διάστημα δέκα ετών, από 10.000 περιγραφόμενους μεταβολίτες αυξήθηκε ο αριθμός τους σε 240.000. Το 2007 το Human Metabolome Project με επικεφαλής μια καναδική ομάδα, ολοκληρώνει ένα πρώτο προσχέδιο του ανθρώπινου μεταβολώματος που, στις αλληλεπιδράσεις, περιλαμβάνει επίσης φάρμακα και τρόφιμα.
Παρόμοιες εργασίες εκτελούνται επίσης για διάφορα είδη ζώων και φυτών. Ο Βάση Δεδομένων του ανθρώπινου μεταβολώματος (www.hmdb.ca) περιέχει δεδομένα για περισσότερους από 40.000 μεταβολίτες που έχουν αναλυθεί μέσω τυποποιημένων διαδικασιών και τα δεδομένα συλλέγονται μέσω περιοδικής εξέτασης της επιστημονικής βιβλιογραφίας και με σταθερή συνεχή ανανέωση.
Είναι εύκολο να μαντέψει κανείς ότι αυτή η βάση δεδομένων απέχει πολύ από το να ολοκληρωθεί πλήρως, δεδομένης της βιοχημικής πολυπλοκότητας του ανθρώπινου οργανισμού.
Η Βιοχημική Γενετική-Μεταβολομική και η Μεταβονομική (Metabonomics)
Η βιοχημική γενετική-μεταβολομική είναι συνυφασμένη με τη μεταβονομική, ένα λεπτό παιχνίδι λέξεων για να δείξει δύο συμπληρωματικές πτυχές μιας ίδιας μελέτης.
Η μεταβονομική ασχολείται με τις ποσοτικές πτυχές της ανάλυσης των μεταβολιτών, ιδίως προσπαθεί να εντοπίσει νόμους (κανόνες) που μπορούν να περιγράψουν τις δυναμικές αλλαγές που συμβαίνουν σε επίπεδο του εξεταζόμενου μεταβολώματος το οποίο διαφοροποιείται συνεχώς στο χρόνο. (Η μεταβονομική περιλαμβάνει συνήθως όχι μόνο τα ενδοκυτταρικά μόρια αλλά και τα συστατικά των εξωκυτταρικών βιολογικών υγρών).
Δεν είναι όλοι ομόφωνοι για αυτό τον ορισμό της μεταβονομικής. Μερικοί μελετητές εννοούν με αυτόν τον όρο την επιστήμη που την ασχολείται του χαρακτηρισμού του προφίλ των μεταβολιτών συμπεριλαμβανομένου και των εξωτερικών παρεμβάσεων (όπως διατροφή, φάρμακα, τοξικές ουσίες), αφήνοντας τη μελέτη του ενδογενή μεταβολισμού στη μεταβολομική, χωρίς τις εξωτερικές παρεμβάσεις, Η επιρροή της ίδιας της εντερικής μικροχλωρίδας θα ήταν, σύμφωνα με αυτούς που μοιράζονται αυτήν τη διάκριση, το πεδίο μελέτης του μεταβονομικής.
Αυτό που μπορούμε να πούμε είναι, ούτως ή άλλως, κατά τη μελέτη της ανθρώπινης φυσιολογίας και της παθολογίας, η διάκριση μεταξύ των δύο ομικών εξασθενεί. Είναι σημαντικό να περιγραφεί με ποιοτικό τρόπο, όπως είναι σημαντική η ποσοτικοποίηση και η αναζήτηση παραμέτρων καθώς επίσης είναι σημαντικό να περιγραφεί η φυσιολογία του οργανισμού που δεν παρουσιάζει διαταραχές ή επιπτώσεις από οποιοιδήποτε παράγοντα, ώστε να ορισθούν οι συνθήκες της αφετηρίας. Επίσης είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τα αποτελέσματα εκείνου του εξωτερικού παράγοντα που μπορεί να επιδράσει πάνω στον οργανισμό.
Μέθοδοι ανάλυσης βιοχημικής γενετικής-μεταβολομικής
Χωρίς να δοθούν τεχνικές λεπτομέρειες, θα περιγραφούν ποιες είναι οι κύριες τεχνικές για την ανάλυση του μεταβολισμού, προκειμένου να κατανοηθούν οι τεχνικές δυσκολίες που εμποδίζουν την ταχεία ανάπτυξη αυτής της νέας επιστήμης.
Ο σκοπός καθεμιάς από τις αναλυτικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται στη βιοχημική γενετική-μεταβολομική είναι η αναγνώριση των μεταβολιτών που υπάρχουν σε ένα μείγμα πολύ σύνθετο που μπορεί, τουλάχιστον εν μέρει να καθαρίζεται από ορισμένους γνωστούς μεταβολίτες, προκειμένου να απλοποιηθεί η ανάλυση. Μετά από αυτό το βήμα, που ωστόσο, δεν πραγματοποιείται πάντα, είναι απαραίτητο να προχωρήσουμε στο διαχωρισμό των διαφορετικών μεταβολιτών με σκοπό την επακόλουθη τους ταυτοποίηση.
Όπως περιεγράφηκε παραπάνω, οι τεχνικές τις χρωματογραφίας, μεμονωμένα και, πάνω απ’ όλα, σε συνδυασμό με τη φασματομετρία μάζας, είναι οι πιο χρησιμοποιημένες. Η τριχοειδής ηλεκτροφόρηση είναι, τέλος, μια άλλη από τις τεχνικές διαχωρισμού που χρησιμοποιείται.
Η τελευταία φάση είναι αυτή της ταυτοποίησης των μεμονωμένων μεταβολιτών και λαμβάνει χώρα κυρίως μέσω της βοήθειας της φασματομετρίας μάζας, ικανής να εντοπίζει τον μεταβολίτη ξεκινώντας από το χαρακτηριστικό του φάσμα.
Η φασματοσκοπία NMR, από την άλλη πλευρά, δεν απαιτεί το στάδιο διαχωρισμού που περιγράφεται παραπάνω και έχει το πλεονέκτημα της ταυτοποίησης των διαφόρων μεταβολιτών με σχετικά απλό και αναπαραγώγιμο τρόπο, ωστόσο, εμφανίζοντας μια χαμηλότερη ευαισθησία σε σχέση με τη φασματομετρία μάζας.
Προβλήματα και περιορισμοί των μεταβολικών αναλύσεων
Το κυτταρικό μεταβόλωμα είναι δυναμικό, αλλάζει κάθε στιγμή, με την πρόοδο μιας βιοχημικής διαδικασίας, τη διακοπή μιας προηγουμένως σε εξέλιξη, την έναρξη μιας νέας. Αυτή ακριβώς η ταχεία εξέλιξη κάνει τη μεταβολoμική ανάλυση δύσκολη. Επί του παρόντος, παρά την εισαγωγή μιας μεταβολομικής τεχνικής σε πραγματικό χρόνο το 2015, δεν είναι ακόμη δυνατή η ανάλυση ολόκληρου του φάσματος των μεταβολιτών μέσω μιας μόνο αναλυτικής μεθόδου.
Για τη διευκόλυνση των μεταβολικών αναλύσεων, επιλέγονται υγρά του σώματος συλλέξιμα με τρόπο μη επεμβατικό ή ελάχιστα διεισδυτικό (ούρα, σάλιο και αίμα), με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε η ευκολία και η ταχύτητα συλλογής μπορεί να βελτιώσουν τις χρονικές παραμέτρους ανάλυσης που απαιτούνται για την περιγραφή διαδικασιών που διαφοροποιούνται από στιγμή σε στιγμή.
Το όριο και το πλεονέκτημα, εξαρτάται από την ανάλυση που προτίθεται να πραγματοποιηθεί, από την ανάλυση των σωματικών υγρών, έγκειται στην περιγραφή του οργανισμού ως συνόλου, καθιστώντας αδύνατη την περιγραφή από ιστό σε ιστό, αλλά αντανακλώντας με πιστό τρόπο τη δυναμική ισορροπία του σώματός μας.
Κλινικές και μη κλινικές εφαρμογές
Οι εφαρμογές της μεταβολομικής αφορούν διάφορα πεδία, λίγο ή πολύ ισχυρά συνδεόμενα με την κλινική πρακτική (εικόνα 1).
Ξεκινώντας από τη βασική έρευνα, η λειτουργική γονιδιωματική χρησιμοποιεί τα αποτελέσματα της μεταβολομικής για να κατανοήσει τον αντίκτυπο μιας γενετικής μετάλλαξης στον κυτταρικό μεταβολισμό.
Ακόμη πιο ενδιαφέρων είναι η δυνατότητα κατανόησης της λειτουργίας ενός αγνώστου γονιδίου, συγκρίνοντάς το με τα διάφορα μεταβολικά πρότυπα που συμβαίνουν στην περίπτωση μεταλλάξεων ενός γνωστού γονιδίου. Αυτό, φυσικά, επιτυγχάνεται ευκολότερα στο επίπεδο των στοιχειωδών μοντέλων οργανισμών, αλλά δεν αποκλείεται ότι, στο μέλλον, θα είναι δυνατή η διεξαγωγή αποτελεσματικών αναλύσεων και στους ανθρώπους.
Η μεταβολογονιδιωματική στοχεύει στην ενσωμάτωση των μεταβολομικών και γονιδιωματικών δεδομένων μέσω του συσχετισμού μεταξύ παρόμοιων οδών σύνθεσης (που προσδιορίζονται μέσω αναλογιών μεταξύ γονιδίων που κωδικοποιούν ένζυμα) για τον εντοπισμό άγνωστων μεταβολιτών.
H Nutrigenomics αγκαλιάζει όλες τις omics, συμπεριλαμβανομένης της μεταβολομικής, και εξετάζει την αλληλεπίδραση μεταξύ ενδογενών και εξωγενών παραγόντων που διαφοροποιούν τον τροφικό μεταβολισμό στα διαφορετικά άτομα.
Πρόσφατα ξεκίνησε η συζήτηση για το εντερικό μικροβίωμα: αυτό αντιπροσωπεύει μόνο μία από τις πολλές μεταβλητές που μελετά η nutrigenomics για να κατανοήσει τις παραλλαγές του οργανικού μεταβολώματος ακολουθώντας ένα συγκεκριμένο διατροφικό σχήμα.
Ο κλάδος της τοξικολογίας εκμεταλλεύεται επίσης την ανάπτυξη της μεταβολομικής: η ταυτοποίηση της παρουσίας μιας χημικής ένωσης ή ενός τοξικού μεταβολίτη (π.χ. ένα φάρμακο) στο αίμα ή στα ούρα του ατόμου είναι μία από τις πιο κοινές εφαρμογές. Οι επιδράσεις της διαταραχής της νεφρικής ή ηπατικής λειτουργίας στον μεταβολισμό της ίδιας της ένωσης μπορούν να προκύψουν από την ανάλυση των μεταβολιτών που υπάρχουν στα βιολογικά υγρά.
Η βιοχημική γενετική-μεταβολομική ανάλυση όχι μόνο επιτρέπει την ταυτοποίηση των βιοχημικών αλλαγών, ακόμη και πρώιμων, που σχετίζονται με φάρμακα ή ρύπους, αλλά και αυτές που αποτελούν ένδειξη παθολογικών καταστάσεων που εξακολουθούν να είναι ασυμπτωματικές και αυτό αφορά κάθε πεδίο της κλινικής.
Η έναρξη μιας νεοπλασματικής νόσου, ακόμη και στα αρχικά στάδια της κλινικά λανθάνουσας κατάστασης, σχετίζεται με μεταβολές του μεταβολόματος που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την έγκαιρη διάγνωση.
Το ίδιο ισχύει για τις δυσλιπιδαιμίες και τις καρδιαγγειακές παθήσεις, στα στάδια που προηγούνται της εκδήλωσης συμπτωμάτων, για να μην αναφέρουμε νευροεκφυλιστικές ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ, το Πάρκινσον και το ALS, όπου η διάγνωση γίνεται συχνά πολύ αργά.
Βιβλιογραφία
- Bino RJ, Hall RD. Potential of metabolomics as a functional genomics tool. Trends in Plant Science 2004;9:418-25
- Dunn WB, Ellis DI. Metabolomics: current analytical platforms and methodologies. Trends in Analytical Chemistry 2005;24:285-94
- Kitano H. Systems biology: a brief overview. Science 2002;295:1662-4
- Lodish H, Berk A. Molecular cell biology. 5th ed. New York: WH Freeman and Company 2004.
- Rivista Società Italiana di Medicina Generale (Εφημερίδα της Ιταλικής Εταιρείας Γενικής Ιατρικής), https://www.simg.it/Riviste/rivista_simg/2018/06_2018/4.pdf
Views: 707
