Metabolomica: applicazioni e diagnosi

La metabolomica è lo studio scientifico dei processi chimici che coinvolgono i prodotti del metabolismo cellulare. Nello specifico, la metabolomica è lo “studio sistematico delle impronte chimiche uniche che i processi cellulari specifici producono” [1]. Se da un lato i dati di espressione genica e le analisi proteomiche rivelano l’insieme di prodotti genici prodotti nella cellula, al contrario, la profilazione metabolica può fornire un’istantanea della fisiologia di quella cellula in dato momento della sua vita. Pertanto la metabolomica restituisce una “lettura funzionale dello stato fisiologico” di un organismo [2-3]. Una delle sfide della biologia dei sistemi e della genomica funzionale è integrare la genomica, la trascrittomica, la proteomica e le informazioni metabolomiche per fornire una migliore comprensione della biologia cellulare.

Nel gennaio 2007, gli scienziati del University of Alberta e del University of Calgary hanno completato la prima bozza del metaboloma umano. Il database del metabolismo umano (HMDB) è forse il più esteso database metabolomico pubblico fino ad oggi [4]. L’HMDB contiene più di 40.000 voci di metaboliti differenti. Hanno catalogato circa 2500 metaboliti, 1200 farmaci e 3500 componenti alimentari che possono essere trovati nel corpo umano, come riportato in letteratura. [5] Queste informazioni, disponibili presso il database del metabolismo umano (www.hmdb.ca) e basate sull’analisi delle informazioni disponibili nella letteratura scientifica attuale, sono tuttavia tutt’altro che complete.

Al contrario, molto più si sa sui metaboliti di altri organismi. Ad esempio, oltre 50.000 metaboliti sono stati caratterizzati dal regno vegetale e molte migliaia di metaboliti sono stati identificati e / o caratterizzati da singole piante [6-7].

Metabolomica e diagnosi

L’analisi metabolomica segue un flusso di passaggi, il primo é la raccolta dei campioni e la loro preparazione per le successive analisi. La fase di analisi puó avvenire per spettrometria di massa o risonanza magnetica nucleare, cioé tecniche analitiche molto sofisticate che ci permettono di conoscere con precisione quasi assoluta i vari metaboliti presenti in un fluido. E per finire, c’é l’analisi dei dati attraverso l’utilizzo di software bioinformatici, che non solo permettono l’identificazione del metabolita ma anche una dettagliata analisi statistica.

Ogni tipo di cellula e tessuto ha una “impronta digitale” metabolica unica che può delucidare informazioni specifiche di organi o tessuti, mentre lo studio dei biofluidi può fornire informazioni più generalizzate. I biofluidi comunemente usati sono l’urina e il plasma, in quanto possono essere ottenuti in modo non invasivo o relativamente non invasivo.

La facilità di raccolta facilita l’alta risoluzione temporale e, poiché sono sempre in equilibrio dinamico con il corpo, possono descrivere l’ospite nel suo complesso.

Applicazioni della metabolomica

La valutazione della tossicità / tossicologia mediante analisi del metabolismo (in particolare di campioni di urina o di plasma sanguigno) rileva i cambiamenti fisiologici causati da una sostanza chimica (o una miscela di sostanze chimiche). In molti casi, i cambiamenti osservati possono essere correlati a sindromi specifiche, ad es. una lesione specifica nel fegato o nei reni. Ciò è di particolare rilevanza per le aziende farmaceutiche che vogliono testare la tossicità dei potenziali farmaci.

Per la genomica funzionale, la metabolomica può essere uno strumento eccellente per determinare il fenotipo causato da una manipolazione genetica, come la delezione o l’inserimento del gene. A volte questo può essere un obiettivo sufficiente di per sé, ad esempio per rilevare eventuali cambiamenti fenotipici in una pianta geneticamente modificata destinata al consumo umano o animale. Più eccitante è la prospettiva di predire la funzione di geni sconosciuti rispetto alle perturbazioni metaboliche causate dalla delezione / inserimento di geni noti.

Bibliografia

  1.  Daviss, Bennett (April 2005). “Growing pains for metabolomics”The Scientist19 (8): 25–28.
  2. Jordan, Kate W.; Nordenstam, Johan; Lauwers, Gregory Y.; Rothenberger, David A.; Alavi, Karim; Garwood, Michael; Cheng, Leo L. (2009). “Metabolomic Characterization of Human Rectal Adenocarcinoma with Intact Tissue Magnetic Resonance Spectroscopy”Diseases of the Colon & Rectum52 (3): 520–525. doi:10.1007/DCR.0b013e31819c9a2cISSN 0012-3706PMC 2720561PMID 19333056.
  3.  Metabolomics: current technologies and future trends
  4. HMDB 3.0 – the human metabolome database in 2013.
  5. Wishart DS, Tzur D, Knox C, et al. (January 2007). “HMDB: the Human Metabolome Database”Nucleic Acids Research35 (Database issue): D521–6. doi:10.1093/nar/gkl923PMC 1899095PMID 17202168.
  6.  De Luca V, St Pierre B (April 2000). “The cell and developmental biology of alkaloid biosynthesis”. Trends Plant Sci5 (4): 168–73. doi:10.1016/S1360-1385(00)01575-2PMID 10740298.
  7.  Griffin JL, Shockcor JP (July 2004). “Metabolic profiles of cancer cells”. Nat. Rev. Cancer4 (7): 551–61. doi:10.1038/nrc1390PMID 15229480.
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