Метаболомика и фенопические биомаркеры.

Метаболомика представляет собой инструмент всестороннего систематического количественного изучения низкомолекулярных соединений, представляющих собой имеющие решающее значение метаболиты, которые охватывают весь диапазон путей промежуточного обмена. При системном биологическом подходе к изучению этот метод позволяет получать функциональные выходные данные, касающиеся изменений, которые определяются генетическим «чертежом», регуляцией, количеством и модификацией белков, а также воздействием окружающей среды. Возможность анализировать крупные массивы метаболитов позволяет получать биохимическую информацию, которая отражает истинные функциональные конечные точки происходящих биологических событий, в то время как другие функциональные геномные технологии, такие как транскриптомика и протеомика, хотя являются очень ценными, только указывают на возможную причину фенотипического ответа. Следовательно, они не позволяют прогнозировать с достаточной точностью воздействия лекарственных средств, токсикологический ответ или состояние болезни на фенотипическом уровне без дополнительной функциональной валидации.

Метаболомика заполняет эту информационную «брешь», позволяя получать, в частности, такую функциональную информацию, поскольку различия в метаболитах в биологических жидкостях и тканях наиболее тесно связаны с различными фенотипическими ответами. Очевидно, что указанные изменения биохимического фенотипа представляют собой непосредственный интерес для фармацевтики, биотехнологических и связанных с здравоохранением отраслей промышленности, поскольку соответствующая технология позволяет повышать рентабельность и объединять эту информацию.

В целом, фенотип не обязательно предопределяется генотипом. «Брешь» между генотипом и фенотипом зависит от целого ряда биохимических реакций, на каждую из которых оказывают влияние различные факторы, включая такие, как лекарственные средства, пища и окружающая среда. В этой цепи биомолекул, участвующих в пути от генов к проявлению фенотипа, метаболиты представляют собой поддающие количественной оценке молекулы, которые наиболее тесно связаны с фенотипом. Целый ряд фенотипических и генотипических состояний, таких как токсикологический ответ на лекарственное средство или распространение заболевания, можно прогнозировать по различиям в концентрациях функционально значимых метаболитов в биологических жидкостях или тканях.

Определение биомаркеров служит важнейшим ресурсом, который может быть использован как индикатор биологических процессов, специфичных для каждого заболевания . Биомаркеры могут включать различные объекты исследования: антитела, микробы, дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), рибонуклеиновую кислоту (РНК), липиды, метаболиты, белки. Изменения в их концентрации, структуре, функциях или активности ассоциированы с состоянием прогрессирования или регрессии заболевания и отражают, как организм реагирует на болезнь/ Применительно к инфекционным заболеваниям очень важно различать биомаркеры и суррогатные маркеры. Под суррогатными подразумевают маркеры, заменяющие специфические тесты для выявления возбудителя инфекционного заболевания (например, повышение активности аланинаминотрансферазы (АЛТ) при гепатитах, использование в диагностике протеомных профилей , характеристика лекарственной устойчивости микробных возбудителей или состояния иммунной системы макроорганизма и др.).

Будучи специфическим фактором, биомаркер чаще всего ориентирован на выявление причины инфекционного заболевания, кроме того, в современной лабораторной диагностике он широко используется для определения риска, прогнозирования и мониторинга заболевания , а также как способ предикции успеха лечебных мероприятий. Протоколы по разработке биомаркеров должны содержать исследования их чувствительности, специфичности, воспроизводимости. Для понимания значения биомаркера необходим анализ его участия в патогенезе заболевания, процессах выздоровления и реабилитации

Метаболомика, с точки зрения используемых технологий, служит наиболее продвинутым разделом современной лабораторной диагностики. Под метаболомом понимают совокупную характеристику большого чис- ла продуктов обмена веществ (аминокислот, азотистых оснований, органических кислот, карбогидратов, гетероциклических и многих других соединений), которую получают с помощью различных методов молекулярной биологии. Среди этих методов ведущее место занимают такие спектроскопические технологии, как ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) и масс-спектрометрия. Полученные данные оценивают с помощью особых систем математических моделей (обработанных баз данных), например системы "Metabolome Wide Association Screening" или "Human Serum Metabolome Database". Помимо спектроскопических технологий для характеристики метаболома в различном биологическом материале используют и другие методы молекулярной биологии, в частности газовую и жидкостную хроматографию , капиллярный электрофорез. Существующие системы на основе баз данных позволяют распознавать многие заболевания сердечно-сосудистой системы, метаболический синдром, опухоли, нейродегенеративные процессы . Внедряется метаболомика в клиническую практику и при инфекционных заболеваниях.

Так, при анализе метаболома больных гепатитом С с помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии было обнаружено повышение уровней глюкозы, маннозы, олеамида на фоне падения лактата в плазме крови, а также снижение фруктозы и галактозы на фоне роста 6‑деоксигалактозы (фукозы), полиолов сорбитола, галактитола, ксилитола в моче. Эти изменения, выявленные с помощью существующих систем баз данных, характерны для 40 % обследованных больных и соответствуют росту экспрессии гена AKR1B10, кодирующего ферменты и белки суперсемейства альдокеторедуктазы, что, в свою очередь, служит биомаркером гепатоклеточной карциномы .

Важные данные о механизме поражения гепатоцитов вирусом гепатита С по состоянию клеточного обмена липидов были получены методами жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии .

Метод ЯМР позволил установить специфичные изменения метаболизма фосфолипидов, фосфохолина, фосфоэтаноламида, аминокислот, нуклеотидов, продуктов гликолиза и оксидативного стресса при инфицировании организма вирулентными штаммами Mycobacterium tuberculosis .

Метаболомика характеризует обмен веществ не только с позиций определения биомаркеров отдельных инфекционных процессов на уровне организма человека, но и позволяет диагностировать инфекционные болезни, используя состояние нормальной микрофлоры человека. В частности было показано, что образцы испражнений содержат разнообразные амино- и фенолсодержащие метаболиты как самого человека, так и продукты метаболизма его микрофлоры. Благодаря этому по характеристике таких микробных метаболитов, как желчные кислоты, глюкоза, свободные жирные кислоты, дипептиды и другие микробиоты кишечника, можно прогнозировать развитие инфекции, вызванной Clostridium difficile. Исследования матаболома микрофлоры кишечника показали, что его изменения специфичны при язвенной болезни, вызванной Helicobacter pylori. Метаболомика микроорганизмов играет огромную роль в развитии наших представлений о биологических процессах, влияющих на структуру, механизм образования и антибиотикоустойчивость биопленки слизистых оболочек.

Приемами метаболомики можно прямо идентифицировать патогенные микроорганизмы. На модели распознавания возбудителей микст-инфекции (Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum, Acinetobacter calcoaceticus, Staphylococcus aureus) было показано, что капиллярный электрофорез для выявления однонитевого конформационного полиморфизма (CE-SSCP) не уступает по диагностическому значению методу ПЦР. Импульсный гель-электрофорез в виде Phenotype MicroArray технологии позволяет дифференцировать между собой около 29 видов патогенных сальмонелл . Вторичные метаболиты из группы сидерофоров играют роль в идентификации в моче уропатогенных вариантов Escherichia coli .