metaboloma - ARESS Piemonte

William Liboni
Ospedale Gradenigo
Torino
La metabolomica nella
pratica clinica: potenzialità,
problematiche ed esperienze
Perché Metabolomica e non
Biologia dei Sistemi ?
La Genomica e la Proteomica descrivono
la potenzialità dei sistemi, la
Metabolomica ne rappresenta il
funzionamento dinamico reale
La Metabolomica è la risultante
delle interazioni tra la triade
Gene, organismo, ambiente
La Metabolomica mostra:
a) Correlazioni dinamiche tra i processi metabolomici
b) Come i processi metabolici regolano l’espressione genica, l’attività
enzimatica e la trasmissione dei segnali nei sistemi biologici
c) Come si definiscono i fenotipi, le loro variazioni nel tempo, gli
effetti dovuti ad input chimici/fisici variazioni, geniche e stati
patologici
Genomica e proteomica e loro espressione
Il gene è un’unità funzionale che è regolata dalla trascrizione e codifica un prodotto
l’RNA che generalmente è tradotto in una proteina che esercita attività nell’ambito
della cellula o nello spazio pericellulare.
Essi esprimono anche caratteristiche tissutali (es. Distrofia muscolare di Duchenne –
fenilchetouria – fibrosi cistica, ...)
Il numero di geni è relativamente piccolo rispetto alle dimensioni del DNA. Il genoma
umano è valutato in 30-40 mila geni.
Questo numero non rende immediata ragione della complessità con cui l’impronta
genetica si esprime: un singolo gene può di fatto generare più mRNA che vengono
inglobati nelle proteine e sono soggette a complesse modificazioni dopo la
traslazione dello stesso mRNA, come può succedere nella fosforilazione.
La proteomica utilizza tecnologie di identificazione e separazione di proteine su larga
scala e si ripropone di focalizzare ed analizzare le funzioni e le variazioni delle
stesse.
Metabolomica
La metabolomica si ripropone di definire la composizione e le modificazioni del
“metaboloma”, l’insieme di molecole a basso peso che possono partecipare a diversi
eventi metabolici essendone coinvolti per la loro funzione.
Le alterazioni fisiologiche/patologiche hanno effetti molteplici non solo sul proteoma,
ma anche sul metaboloma e sottolineano come questi processi coinvolgano una rete
modulare piuttosto che evoluzioni lineari.
L’evoluzione della genetica ha superato il concetto tradizionale della relazione
Singolo gene alterato ßà patologia
che rappresenta un evento relativamente raro (circa 10% della malattia). La
diffusione di patologie con aspetti socialmente gravi (quali ipertensione, diabete,
malattie psichiche) sono sempre più viste come espressione di disordini poligenici
comunque multifattoriali che coinvolgono, per potersi esprimere, molti geni diversi
così come fattori ambientali diversi. La loro interrelazioni può determinare le
modificazioni del rischio di malattia e sua evoluzione.
Metabolomica
La possibilità quindi di poter cogliere ed elaborare più informazioni nell’ambito
dell’espressione di vita, fattori genetici, ambiente, può far emergere possibilità di
conoscenza dell’eziologia, patogenesi, e patofisiologia aiutando la comprensione
delle funzioni normali e patologiche, i meccanismi biologici sottesi per non solo un
approccio terapeutico, ma per un intervento precoce e per la stessa prevenzione.
La metabolomica ci consente di vedere l’evoluzione biologica delle proteine
(codificate) e i processi attraverso l’analisi di molecole più parziali che influiscono
nell’equilibrio delle attività cellulari dei singoli tessuti e nell’espressione fenotipica.
Tale analisi è favorita dal poter procedere su dati selezionati non solo in funzione del
sospetto diagnostico, ma nel poter raccogliere, classificare ed individuare elementi
apparentemente diffusi e disomogenei che possono essere raccolti con metodiche
differenziate riuscendo ad aggregarne le informazioni.
Negli studi metabolomici è necessaria
l‘interdisciplinarietà tra
chimici, fisici biologi, medici ed ingegneri
Metabolomica & Clinica medica
Tecniche di analisi
• Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)
• Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS)
• Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy
• Fourier-transform infrared (FT-IR) spectrometry
• Metabolite arrays
Metodi di analisi statistica multivariata
PCA - analisi delle componenti principali - tecnica per la semplificazione dei dati
PLS - analisi dei minimi quadrati parziali
Clustering - selezione e raggruppamento di elementi omogenei in un insieme di dati
Analisi discriminante - permette di attribuire degli individui a uno di più gruppi
Analisi di regressione multidimensionale – stima dei valori attesi
Potenzialità delle tecniche metabolomiche in clinica
• Importanza approccio multidisciplinare
• Importanza approccio non-supervisionato (apporto nuova
conoscenza)
• Interazione tra diverse patologie
• Razionalizzazione iter diagnostico e costi annessi
Conclusioni
Sebbene l’esperienza del gruppo nello specifico settore sia ancora limitata,
alcuni studi preliminari hanno dimostrato l’efficacia dell’approccio nella pratica
clinica:
- Studio e caratterizzazione della placca arteriosa
- Studio e classificazione di pazienti emicranici