TECHNIKY METABOLOMIKY V BIOMEDICÍNĚ

Význam tématu

Metabolomika představuje klíčovou analytickou disciplínu, která umožňuje sledovat aktuální stav biochemických drah v buňkách, tkáních i tělních tekutinách. Na rozdíl od genomiky a proteomiky zachycuje okamžité změny vyvolané vnějším i vnitřním prostředím a doplňuje tak informace o genetickém a transkripčním základu procesů. Tato schopnost činí z metabolomiky důležitý nástroj v biomedicínském výzkumu, diagnostice onemocnění a monitorování terapeutických intervencí.

Cíle a přehled článku

Článek shrnuje hlavní kroky metabolomického experimentu v biomedicíně se zaměřením na: návrh a kvalitu odběru vzorku, přípravu biologického materiálu, separační metody spojené s hmotnostní spektrometrií a postupy zpracování a interpretace dat. Důraz je kladen na standardizaci postupů a statistické vyhodnocení výsledků.

Použitá metodika a instrumentace

Pro přípravu vzorků se využívá rychlé metabolické zhášení (quenching) a extrakce organickými rozpouštědly s cílem minimalizovat degradaci a únik metabolitů.
Separační techniky:

• Plynová chromatografie (GC, GC×GC) spojená s MS či tandemovou MS – vhodná pro těkavé a derivatizované sloučeniny.
• Vysokoúčinná kapalinová chromatografie (HPLC, UHPLC) s různými módy (RP, NP, HILIC) kombinovaná s MS (ESI, APCI, APPI).
• Kapilární elektroforéza (CE) s elektronsprejovou ionizací pro nabité polární látky.

Detektory a analyzátory: kvadrupól, iontová past, TOF, orbitrap a FT-ICR MS. Častá je kombinace separace a vysoké rozlišovací schopnosti hmotnostních analyzátorů.

Hlavní výsledky a diskuse

Metabolomické studie odhalily specifické biomarkery různých onemocnění, například změny aminokyselin a acylkarnitinů u rakoviny či dědičných metabolických poruch. GC×GC-MS i UHPLC-MS prokázaly vysokou schopnost rozlišit vzorky pacientů od kontrol. Široce uplatněné multivariační analýzy (PCA, PLS-DA, CA) a neuronové postupy (SOM, SVM) umožnily efektivní identifikaci diferenciálních vzorů a klasifikaci nemocných jedinců.

Přínosy a praktické využití metody

Metabolomika nabízí nástroje pro:

• včasnou diagnostiku onemocnění na základě metabolických signatur,
• monitorování účinků léčby a dávkovacích režimů,
• identifikaci nových terapeutických cílů,
• podporu personalizované medicíny.

Budoucí trendy a možnosti využití

Směřování oboru zahrnuje rozvoj citlivějších a rychlejších separačních technik (např. micro-LC, nano-LC), integraci více ionizačních metod, zvyšování rozlišovací schopnosti MS analyzátorů a širší využití strojového učení při analýze rozsáhlých datasetů. Důležitý je také další rozvoj standardů a otevřených databází pro výměnu a porovnání výsledků napříč laboratořemi.

Závěr

Metabolomika v biomedicíně představuje dynamicky se rozvíjející oblast na rozhraní analytické chemie a medicíny. Kombinace pokročilých separačních technik s hmotnostní spektrometrií a robustními statistickými nástroji umožňuje detailní charakterizaci metabolických změn v různých patologických stavech. Další standardizace metod a rozvoj bioinformatických platforem budou klíčové pro širší aplikaci metabolomiky v klinické praxi.

Reference

• Goodacre R.: J. Nutr. 137, 259S (2007).
• Dunn W. B. a kol.: Analyst 130, 606 (2005).
• Fiehn O. a kol.: Metabolomics 3, 157 (2007).
• Sumner L. W. a kol.: Metabolomics 3, 211 (2007).
• Goodacre R. a kol.: Metabolomics 3, 231 (2007).
• Sansone S. A. a kol.: Metabolomics 3, 249 (2007).
• Hardy N. W., Taylor C. F.: Metabolomics 3, 243 (2007).
• Dettmer K., Aronov P. A., Hammock B. D.: Mass Spectrom. Rev. 26, 51 (2007).
• Lorenz M. A., Burant C. F., Kennedy R. T.: Anal. Chem. 83, 3406 (2011).
• Teng Q. a kol.: Metabolomics 5, 199 (2008).
• Villas-Boas S. G., Bruheim P.: Anal. Biochem. 370, 87 (2007).
• Dettmer K. a kol.: Anal. Bioanal. Chem. 399, 1127 (2011).
• Sellick C. A. a kol.: Metabolomics 6, 427 (2010).
• Musilová J., Glatz Z.: Chem. Listy 105, 745 (2011).
• Jennings W., Mittlefehldt E., Stremple P.: Modern Practice of GC, Academic Press (1997).
• Grob R. L., Barry E. F.: J. Wiley, Hoboken (2004).
• Sparkman O. D. a kol.: Academic Press (2011).
• Gu S. H. a kol.: Biomed. Chromatogr. 24, 245 (2010).
• Kvitvang H. F. a kol.: Anal. Chem. 83, 2705 (2011).
• Zoerner A. A. a kol.: J. Chromatogr., B 877, 2909 (2009).
• Trettin A. a kol.: J. Chromatogr., B 879, 2274 (2011).
• Hansen M. a kol.: Anal. Bioanal. Chem. 400, 3409 (2011).
• Emidio E. S., Prata V. D., Dorea H. S.: Anal. Chim. Acta 670, 63 (2010).
• Gorecki T., Harynuk J., Panic O.: J. Sep. Sci. 27, 359 (2004).
• Mondello L. a kol.: Mass Spectrom. Rev. 27, 101 (2008).
• Adahchour M. a kol.: TrAC 25, 438; 540 (2006).
• Adahchour M., Beens J., Brinkman U.: J. Chromatogr., A 1186, 67 (2008).
• Mitrevski B. S. a kol.: J. Chromatogr., A 1214, 134 (2008).
• Li X. a kol.: Anal. Chim. Acta 633, 257 (2009).
• Pasikanti K. K. a kol.: Anal. Bioanal. Chem. 398, 12853 (2010).
• Oresic M. a kol.: Genome Med. 3, 19 (2011).
• Kouremenos K. A., Pitt J., Marriott P. J.: J. Chromatogr., A 1217, 104 (2010).
• Wojtowicz P. a kol.: J. Chromatogr., A 1217, 8054 (2010).
• Lehmann R. a kol.: PLoS One 5, e11519 (2010).
• Cubbon S. a kol.: Anal. Chem. 79, 8911 (2007).
• Lewis G. D. a kol.: J. Clin. Invest. 118, 3503 (2008).
• Ma Y. L. a kol.: Dig. Dis. Sci. 54, 2655 (2009).
• Juo C. G. a kol.: Biofactors 34, 159 (2008).
• Zhou B. a kol.: Mol. Biosyst. 8, 470 (2012).
• Roux A. a kol.: Clin. Biochem. 44, 119 (2011).
• Becker S. a kol.: J. Chromatogr., B 883–884, 68 (2012).
• Ceglarek U. a kol.: Clin. Chim. Acta 401, 114 (2009).
• Wang Z. a kol.: Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 29, 1383 (2009).
• Chen J. a kol.: J. Proteome Res. 10, 2625 (2011).
• Kim K. a kol.: Mol. Cell. Proteomics 8, 558 (2009).
• Liu G. W. a kol.: Anal. Chem. 81, 9225 (2009).
• Wikoff W. R. a kol.: Clin. Chem. 53, 2169 (2007).
• Ritchie S. A. a kol.: BMC Med. 8 (2010).
• Janečková H. a kol.: J. Chromatogr., A 1226, 11 (2012).
• Jansson J. a kol.: PLoS One 4, e6386 (2009).
• Turer A. T. a kol.: Circulation 119, 1736 (2009).
• Klampfl C. W.: Electrophoresis 27, 3 (2006).
• Ramautar R. a kol.: Electrophoresis 31, 2319 (2010).
• Ramautar R. a kol.: Electrophoresis 32, 52 (2011).
• Goodacre R. a kol.: Metabolomics 3, 231 (2007).
• Trygg J. a kol.: J. Proteome Res. 6, 469 (2007).
• Boccard J., Veuthey J., Rudaz S.: J. Sep. Sci. 33, 290 (2010).
• Smilde A. K. a kol.: Metabolomics 6, 3 (2010).
• G. Boccard a kol.: J. Sep. Sci. 33, 290 (2010).
• Moon J. Y. a kol.: J. Am. Soc. Mass Spectrom. 20, 1626 (2009).
• Keseler I. M. a kol.: Nucleic Acids Res. 37, D464 (2009).
• Caspi R. a kol.: Nucleic Acids Res. 38, D473 (2010).
• Kanehisa M. a kol.: Nucleic Acids Res. 38, D335 (2010).
• Wishart D. S. a kol.: Nucleic Acids Res. 38, D603 (2010).
• Croft D. a kol.: Nucleic Acids Res. 39, D691 (2011).
• Karp P. D. a kol.: Nucleic Acids Res. 33, 6083 (2005).