Наука

Метаболомика: что нам дает анализ метаболитов?

В каждой живой клетке жизнь кипит: что-то окисляется, гликозилируется, молекулы-посредники снуют туда-сюда, передавая сигналы, ненужные молекулы утилизируются, нужные — синтезируются, экспрессия одних генов активируется, других, напротив, ингибируется и т.д. Буквально ежесекундно в клетке меняются набор и концентрация продуктов обмена веществ — метаболитов. Зафиксировав их, можно получить так называемый метаболический профиль — мгновенный «отпечаток» физиологических процессов, происходящих в клетке. Каким образом, а главное — зачем, ученые изучают метаболический профиль различных тканей, органов, живых организмов?

Метаболом представляет собой полный набор низкомолекулярных веществ — метаболитов — в том или ином биологическом образце в конкретный момент времени. Под «низкомолекулярными» обычно подразумевают молекулы с молекулярной массой до 1000 Да (иногда — до 1500 Да). В роли «образца» могут выступать клетки, ткани, экстракты тканей, органы, биологические жидкости или целый организм в определенный момент времени. Входящие в метаболом низкомолекулярные вещества могут образовываться в организме естественным путем (аминокислоты, органические кислоты, нуклеиновые кислоты, витамины, пигменты, сахара, витамины, пигменты и др.) или поступать извне (лекарства), загрязнители окружающей среды, пищевые добавки, токсины и др.). Так разделяют эндогенный и экзогенный метаболомы.

Каждый тип клеток и тканей имеет свой уникальный метаболический профиль, тогда как биологические жидкости (кровь, плазма, моча и др.) могут предоставить более общую информацию об организме в целом. Термин «метаболом» произошел от слова «метаболит» (продукт обмена веществ) и перекликается с такими понятиями, как «геном» — полный набор генов организма, и «протеом» — полный набор белков организма. Термин впервые был использован в 1998 г., а в 2005 г. уже стал выходить журнал «Метаболомика», полностью посвященный исследованиям метаболома человека и других организмов.

Метаболом может меняться раз в несколько секунд или минут под воздействием огромного количества факторов: приема пищи, повышенных нагрузок, изменений условий окружающей среды, стресса или др. Из всех «-омов» метаболом наиболее чутко реагирует на внутренние и внешние изменения и поэтому может «рассказать» как о наличии патологического процесса, так и об эффектах различных воздействий: лекарств, диеты, физической активности и т.д.

Биомаркеры

Очевидно, что результаты всем известных традиционных медицинских анализов — плазмы крови, мочи, слюны, спинномозговой жидкости, спермы и т.д. — дают информацию, в частности, и о компонентах метаболома. По наличию и/или концентрации тех или иных веществ анализы помогают выявлять различные патологические процессы и определять эффективность лечебных мероприятий. Такие вещества-индикаторы называют биомаркерами, а их поиск является одной из важнйших задач метаболомики.

Метаболомика уже внесла свой вклад в понимание этиологии множества заболеваний, включая аутизм и шизофрению, бронхиальную астму, воспалительные заболевания кишечника и различные типы рака

Десятки биомаркеров уже нашли широкое применение в клинической практике. Например, анализ на определение уровня креатинина в крови и моче используют для оценки функции почек, анализ на содержание желчных кислот в крови — функции печени, анализ крови на определение уровня холестерина — сердечно-сосудистого риска, анализ крови и мочи на содержание глюкозы — диагностики сахарного диабета, а также оценки эффективности сахароснижающей терапии. Постоянно идет поиск новых биомаркеров, в частности таких, которые способны указать на повышенный риск заболевания или его ранние стадии. Однако, несмотря на то что в научной литературе описаны тысячи метаболитов-кандидатов в биомаркеры, верифицировать эти данные удается редко из-за малого числа доступных проб для анализа, трудностей с воспроизведением результатов в других когортах и т.д.

Метаболомика использует самые передовые методы аналитической химии и вычислительные программы для характеристики сложных биохимических смесей in vivo и in vitro. Главными «рабочими лошадками» метаболомики стали три технологии: спектроскопия ядерного магнитного резонанса (NMR), газовая хромато-масс-спектрометрия (GC-MS) и жидкостная хромато-масс-спектрометрия (LC-MS).

Помимо обнаружения новых биомаркеров метаболомика помогает в изучении механизмов развития заболеваний, поиске новых лекарственных средств, в микробиологии, пищевой химии, а также мониторинге состояния окружающей среды.

За кулисами болезней

Исследуя геном человека, ученые надеялись, что обнаружат в нем первопричины многих хронических заболеваний. Они проводили тотальное секвенирование ДНК, описывали продукты транскрипции генов, искали однонуклеотидный полиморфизм (точечные различия последовательностей ДНК). Несмотря на то что полученные данные имели огромное значение для фундаментальной науки, революции в медицине они не совершили. Отсутствие понимания причин возникновения многих болезней на молекулярном уровне породило некоторый кризис в разработке лекарственных средств против них.

Новые горизонты открыло изучение эффектов окружающей среды на развитие патологии в организме, в частности влияние микробиома (совокупность микроорганизмов, обитающих в организме человека) и эпигенома (модификация генома в ответ на действие внешних факторов, не затрагивающая последовательность ДНК, но способная передаваться в клеточных генерациях). Основой этих работ стала метаболомика.

Иногда понимание метаболических основ заболевания может подсказать простое терапевтическое решение: повысить или понизить уровень некоторых метаболитов можно путем коррекции диеты (яркий пример — безглютеновая диета при целиакии)

Так, например, был обнаружен абсолютно новый и потенциально модифицируемый фактор риска развития атеросклероза. Ранее считалось, что причиной развития этого заболевания являются «плохая» наследственность и высокий уровень холестерина в крови. Но в 2011 г. была обнаружена неожиданная, но вполне убедительная связь между рационом, кишечными бактериями и уровнем в крови триметиламин-N-оксида (ТМАО) — вещества, способного индуцировать в сосудах атеросклеротический процесс. ТМАО, как показали исследования метаболома, является продуктом окисления в печени триметиламина, который, в свою очередь, образуется при переработке кишечными бактериями карнитина, бетаина и холина, поступающих в пищеварительный тракт с пищей, например, с мясом. Оказалось, что высокий уровень ТМАО коррелирует с риском сердечно-сосудистых событий. На мышах было показано, что различные штаммы микроорганизмов в пищеварительном тракте продуцируют различные уровни триметиламина. А недавно было обнаружено, что ТМАО нарушает баланс холестерина, меняя активность фермента монооксигеназы 3. Исследования продолжаются, но, похоже, такой метаболит, как ТМАО в высокой концентрации, может быть причиной развития атеросклероза.

К пониманию патогенеза сахарного диабета 2-го типа метаболомика также добавила несколько важных штрихов. Ранее считалось, что ключевую роль в развитии заболевания играют высокоуглеводная диета, малоподвижный образ жизни и, опять-таки, «плохие» гены. Однако за последние пять лет несколько групп исследователей обнаружили среди метаболитов новых виновников заболевания — аминокислоты. В частности, высокий уровень в плазме крови разветвленных (изолейцин, лейцин, валин) и ароматических (фенилаланин и тирозин) аминокислот, а также малоизвестной аминоадипиновой аминокислоты обнаруживается за 15 лет до манифестации сахарного диабета 2-го типа и может быть использован для оценки индивидуального риска развития заболевания. Высоким уровнем указанных аминокислот человек «обязан» своему питанию и, возможно, микробиому. Предполагается, что эти аминокислоты действуют на так называемую мишень для рапамицина млекопитающих (mTOR), активируя те же сигнальные пути и физиологические процессы, что и инсулин. Постоянно повышенный уровень аналогов инсулина может в конце концов привести к развитию инсулинорезистентности и сахарного диабета.

Читайте также: Обмен веществ, как на ладони

Метаболомика уже внесла свой вклад в понимание этиологии множества заболеваний, включая аутизм и шизофрению, бронхиальную астму, воспалительные заболевания кишечника и различные типы рака. В одних случаях выявлена лишь ассоциация тех или иных метаболитов с патологией, в других — обнаружены прямые причинно-следственные связи. Почти всегда эндогенный метаболит либо оказывает прямое токсичное действие, либо запускает каскад реакций с неблагоприятными последствиями. Эти метаболиты становятся мишенями для разработки новых лекарственных средств.

Новый подход к разработке лекарственных средств

Метаболомика предлагает новый, более эффективный и экономный подход к разработке лекарств. Обнаружение новых связей между метаболитами и заболеваниями дает исследователям новые мишени для поиска лекарственных средств. Часто речь идет об ингибировании или блокировании каких-либо ферментов, свойства которых хорошо известны. Так, в описанном выше случае с атеросклерозом были определены два фермента, которые влияют на уровень ТМАО в организме пациента (флавиновая монооксигеназа 3 в печени и бактериальная холиновая триметиламинлиаза) и могут быть использованы в качестве мишеней для профилактики и терапии атеросклероза.

Иногда понимание метаболических основ заболевания может подсказать простое терапевтическое решение: повысить или понизить уровень некоторых метаболитов можно путем коррекции диеты (яркий пример — безглютеновая диета при целиакии).

Читайте также: Персонализированное лечение, или Зачем человеку метаболический паспорт?

Методы метаболомики могут быть использованы на всех этапах разработки и испытания лекарственных средств: в тестах на токсичность; изучении метаболизма препарата; мониторинге терапевтического и побочных эффектов препарата; выявлении групп пациентов, отвечающих и не отвечающих на лечение; оптимизации дозы лекарственного средства; мониторинге соблюдения пациентом медикаментозных назначений (по наличию тех или иных метаболитов в крови и моче) или диеты.

В настоящее время все результаты исследования метаболома человека собираются в единую общедоступную базу данных — Human Metabolome Data base. На сегодня в базе представлены данные о более чем 114 тыс. различных метаболитов. Для каждого из этих веществ создана учетная запись — MetaboCard, которая содержит 130 полей, описывающих химические и клинические свойства, а также молекулярно-биологические и биохимические характеристики метаболита.

Татьяна Ткаченко, канд. биол. наук

“Фармацевт Практик” #12′ 2017