TECHNIKY METABOLOMIKY V BIOMEDICÍNĚ

Význam tématu

Metabolomika umožňuje komplexně zachytit aktuální stav nízkomolekulárních látek v biologických vzorcích. Na rozdíl od genomiky či proteomiky odráží metabolomika dynamické změny metabolismu, které jsou bezprostředním odrazem fyziologického stavu organismu. Díky tomu má zásadní význam pro biomedicínu, kde nachází uplatnění při objevování biomarkerů, diagnostice onemocnění a sledování farmakodynamiky léčiv.

Cíle a přehled studie / článku

Tento článek představuje ucelený přehled kroků metabolomického experimentu se zaměřením na biomedicínské aplikace. Popisuje výběr a přípravu vzorků, hlavní separační techniky, integraci s hmotnostní spektrometrií i základní principy zpracování a statistické analýzy dat. Článek také ukazuje příklady klinických studií využívajících GC×GC, LC-MS či CE-MS.

Použitá metodika a instrumentace

• Příprava vzorků: metabolické zhášení buněk (quenching), extrakce methanolem či chloroform-methanol směsí
• Separační techniky: GC, GC×GC, HPLC (RP, NP, HILIC), UHPLC, CE
• Detekce a identifikace: MS (Q, QqQ, IT, TOF, Orbitrap, FT-ICR), ESI, APCI, APPI, NMR
• Datové zpracování: baseline correction, peak picking, alignment, normalizace, transformace
• Statistické metody: PCA, PLS-DA, OPLS-DA, shluková analýza, rozhodovací stromy, neuronové sítě

Hlavní výsledky a diskuse

Metabolomické postupy lze rozdělit na cílené (targeted) a necílené (untargeted) analýzy. Necílené přístupy se opírají o vysoce rozlišovací MS (TOF, Orbitrap, FT-ICR) a identifikují nové biomarkery onemocnění, např. pro diabetes, rakovinu či dědičné metabolické vady. Cílené metody s QqQ v módu MRM poskytují kvantitativní data o známých metabolitech. Důležitá je robustní příprava vzorků a standardizace protokolů (MSI iniciativy).

Přínosy a praktické využití metody

• Objevování nových biomarkerů a diagnostických panelů (onkologie, kardiologie, dědičné vady)
• Monitorování léčebných zásahů a farmakometabolomika
• Studium buněčných drah a toxikologie
• Personalizovaná medicína: sledování metabolických profilů pacientů

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další zvyšování citlivosti a rozlišovací schopnosti MS, širší nasazení dvourozměrných technik (GC×GC, 2D-LC), integrace s dalšími „omik“ daty (proteomika, transkriptomika) a rozvoj standardů pro výměnu dat. Významnou roli budou hrát open-source softwary, databáze a umělá inteligence pro automatizovanou interpretaci rozsáhlých datových souborů.

Závěr

Metabolomika se etablovala jako klíčový nástroj systémové biologie a biomedicínského výzkumu. Díky rozmanitým analytickým platformám a pokročilým statistickým metodám umožňuje hluboký vhled do metabolických procesů v normě i nemoci. Její další rozvoj povede k rychlejší diagnostice, lepší personalizaci terapie a novým poznatkům o biochemických drahách.

Reference

1. Goodacre R.: J. Nutr. 137, 259S (2007).
2. Dunn W. B., Bailey N. J. C., Johnson H. E.: Analyst 130, 606 (2005).
3. Fiehn O. et al.: Metabolomics 3, 157 (2007).
4. Sumner L. W. et al.: Metabolomics 3, 211 (2007).
5. Goodacre R. et al.: Metabolomics 3, 231 (2007).
6. Sansone S. A. et al.: Metabolomics 3, 249 (2007).
7. Hardy N. W., Taylor C. F.: Metabolomics 3, 243 (2007).
8. Dettmer K., Aronov P. A., Hammock B. D.: Mass Spectrom. Rev. 26, 51 (2007).
9. Lorenz M. A. et al.: Anal. Chem. 83, 3406 (2011).
10. Teng Q. et al.: Metabolomics 5, 199 (2008).
11. Villas-Boas S. G., Bruheim P.: Anal. Biochem. 370, 87 (2007).
12. Dettmer K. et al.: Anal. Bioanal. Chem. 399, 1127 (2011).
13. Sellick C. A. et al.: Metabolomics 6, 427 (2010).
14. Villas-Bôas S. G. et al.: Mass Spectrom. Rev. 24, 613 (2005).
15. Musilová J., Glatz Z.: Chem. Listy 105, 745 (2011).
16. Jennings W., Mittlefehldt E., Stremple P.: Modern Practice of Gas Chromatography. Academic Press 1997.
17. Grob R. L., Barry E. F. (ed.): Modern Practice of Gas Chromatography. J. Wiley 2004.
18. Sparkman O. D. et al.: Gas Chromatography and Mass Spectrometry. Academic Press 2011.
19. Gu S. H. et al.: Biomed. Chrom. 24, 245 (2010).
20. Kvitvang H. F. et al.: Anal. Chem. 83, 2705 (2011).
21. Zoerner A. A. et al.: J. Chromatogr., B 877, 2909 (2009).
22. Trettin A. et al.: J. Chromatogr., B 879, 2274 (2011).
23. Hansen M. et al.: Anal. Bioanal. Chem. 400, 3409 (2011).
24. Emidio E. S. et al.: Anal. Chim. Acta 670, 63 (2010).
25. Gorecki T. et al.: J. Sep. Sci. 27, 359 (2004).
26. Mondello L. et al.: Mass Spectrom. Rev. 27, 101 (2008).
27. Adahchour M. et al.: Trends Anal. Chem. 25, 438 (2006).
28. Adahchour M. et al.: Trends Anal. Chem. 25, 540 (2006).
29. Adahchour M. et al.: J. Chromatogr., A 1186, 67 (2008).
30. Mitrevski B. S. et al.: J. Chromatogr., A 1214, 134 (2008).
31. Li X. et al.: Anal. Chim. Acta 633, 257 (2009).
32. Pasikanti K. K. et al.: Anal. Bioanal. Chem. 398, 12853 (2010).
33. Oresic M. et al.: Genome Med. 3, 19 (2011).
34. Kouremenos K. A. et al.: J. Chromatogr., A 1217, 104 (2010).
35. Wojtowicz P. et al.: J. Chromatogr., A 1217, 8054 (2010).
36. Lehmann R. et al.: PloS One 5, e11519 (2010).
37. Cubbon S. et al.: Anal. Chem. 79, 8911 (2007).
38. Lewis G. D. et al.: J. Clin. Invest. 118, 3503 (2008).
39. Ma Y. L. et al.: Dig. Dis. Sci. 54, 2655 (2009).
40. Juo C. G. et al.: Biofactors 34, 159 (2008).
41. Zhou B. et al.: Mol. Biosyst. 8, 470 (2012).
42. Roux A. et al.: Clin. Biochem. 44, 119 (2011).
43. Becker S. et al.: J. Chromatogr., B 883–884, 68 (2012).
44. Ceglarek U. et al.: Clin. Chim. Acta 401, 114 (2009).
45. Wang Z. et al.: Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 29, 1383 (2009).
46. Chen J. et al.: J. Proteome Res. 10, 2625 (2011).
47. Kim K. et al.: Mol. Cell. Proteomics 8, 558 (2009).
48. Liu G. W. et al.: Anal. Chem. 81, 9225 (2009).
49. Wikoff W. R. et al.: Clin. Chem. 53, 2169 (2007).
50. Ritchie S. A. et al.: BMC Med. 8 (2010).
51. Janeckova H. et al.: J. Chromatogr., A 1226, 11 (2012).
52. Jansson J. et al.: PloS One 4, e6386 (2009).
53. Turer A. T. et al.: Circulation 119, 1736 (2009).
54. Klampfl C. W.: Electrophoresis 27, 3 (2006).
55. Ramautar R. et al.: Electrophoresis 31, 2319 (2010).
56. Ramautar R. et al.: Electrophoresis 32, 52 (2011).
57. Goodacre R. et al.: Metabolomics 3, 231 (2007).
58. Trygg J. et al.: J. Proteome Res. 6, 469 (2007).
59. Boccard J. et al.: J. Sep. Sci. 33, 290 (2010).
60. Smilde A. K. et al.: Metabolomics 6, 3 (2010).
61. Moon J. Y. et al.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 20, 1626 (2009).
62. Keseler I. M. et al.: Nucleic Acids Res. 37, D464 (2009).
63. Caspi R. et al.: Nucleic Acids Res. 38, D473 (2010).
64. Kanehisa M. et al.: Nucleic Acids Res. 38, D335 (2010).
65. Wishart D. S. et al.: Nucleic Acids Res. 38, D603 (2010).
66. Croft D. et al.: Nucleic Acids Res. 39, D691 (2011).
67. Karp P. D. et al.: Nucleic Acids Res. 33, 6083 (2005).
68. Wojtowicz P., Dostálová E., Adam T.: Klin. Biochem. Metab. 20, 38 (2012).
69. Wojtowicz P. et al.: Gas Chromatography - Biochemicals, Narcotics and Essential Oils (Salih B., ed.), kap. 2, 42, 46. InTech, Rijeka 2012.