научная статья по теме МЕТАБОЛОМИКА: НА ПУТИ ИНТЕГРАЦИИ БИОХИМИИ, АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, ИНФОРМАТИКИ Биология

Текст научной статьи на тему «МЕТАБОЛОМИКА: НА ПУТИ ИНТЕГРАЦИИ БИОХИМИИ, АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, ИНФОРМАТИКИ»

УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2015, том 135, № 1, с. 3-17

УДК 577.121.9, 57.088.1

МЕТАБОЛОМИКА: НА ПУТИ ИНТЕГРАЦИИ БИОХИМИИ, АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, ИНФОРМАТИКИ

© 2015 г. Н. В. Гончаров1,2, А. И. Уколов2, Т. И. Орлова2, Е. Д. Мигаловская2,

Н. Г. Войтенко1,2

1 Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург 2 Научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека Федерального медико-биологического агентства, Санкт-Петербург E-mail:ngoncharov@gmail.com

Обзор посвящен становлению и развитию новой науки - метаболомики. Даны представления о ме-таболоме как совокупности, прежде всего, биохимических показателей, каждый из которых или их соотношение может служить биомаркером, повышающим чувствительность и/или специфичность диагностики заболеваний.

Ключевые слова: метаболом, биомаркер, профилирование, диагностика, масс-спектрометрия.

ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

Цель диагностики - это определение состояния пациента, которое характеризуется изменением комплекса биохимических, иммунологических и других показателей (биомаркеров) (Войтенко и др., 2013). Термин "биомаркер" обычно используют для обозначения любого показателя, отражающего взаимодействие организма с внешним фактором химической, физической или биологической природы. В то же время с помощью биомаркеров можно проводить количественную оценку реакции организма на внешнее воздействие (Atkinson et al., 2001). К количественным характеристикам относятся диагностическая чувствительность, специфичность, прогностическая значимость, отношение правдоподобия и другие. Идеальный биомаркер обладает высокой чувствительностью, специфичностью и прогностической значимостью, надежно воспроизводится у людей разного пола и разных этнических групп, стоимость его определения невысока, а процедура определения безопасна для здоровья пациентов. Например, золотым стандартом диагностики хронических заболеваний печени в медицинской практике является биопсия печени. Однако методы морфологии не являются распространенным средством клинической диагностики. По причине инвазивности эти методы не пригодны для продолжительного мониторинга. Более того, многие заболевания могут вообще не иметь (по крайней мере, в обозримой перспективе) морфологичес-

кого аналога "золотого стандарта", что обусловливает необходимость постоянного расширения методов функциональной диагностики в клинической практике (Голухова и др., 2009). Поиск безопасных, надежных и при этом недорогих методов привел, например, к разработке довольно большого количества биомаркеров для неинва-зивной оценки фиброза печени, представляющих собой как простые, непосредственно измеряемые показатели, так и их производные (индексы, соотношения), повышающие чувствительность и/ или специфичность оценки (диагноза): отношение уровня аспартаттрансаминазы (АСТ) к уровню аланинтрансаминазы (АЛТ) - так называемый коэффициент Де Ритиса; отношение АСТ к количеству тромбоцитов; PGA-индекс - соотношение протромбинового времени, уровня гамма-глутамилтрансферазы (ГГТ) и аполипопротеина А1 (позже PGA-индекс был модифицирован за счет альфа-2-макроглобулина и стал именоваться PGAA-индексом); фибротест (объединяет альфа-2-макроглобулин, гаптоглобин, ГГТ, аполипоп-ротеин А1 и общий билирубин) (Rockey, Bissell, 2006). Другим примером нового подхода к решению медицинских проблем, связанных с диагностикой, могут служить работы в области неврологии, связанные с биохимической диагностикой нарушений мозгового кровообращения. Чтобы определить с помощью биохимических критериев тот или иной подтип инсульта, его масштаб, спрогнозировать возможное развитие событий и вероятность летального или благополучного

исхода, предпринимались попытки одновременного измерения до 50 показателей, с последующим поиском корреляций между ними. В конечном итоге был определен набор из 4-5 наиболее надежных показателей (маркеров), которые в совокупности обеспечивали чувствительность и специфичность свыше 90% (Reynolds et al., 2003; Lynch et al., 2004; Laskowitz et al., 2009). Стратегия этих исследований состоит в том, чтобы объединить чувствительные, но тканенеспецифичные маркеры как минимум с одним специфичным для ЦНС маркером. Использование неспецифичных маркеров необходимо для того, чтобы повысить чувствительность комплексного тестирования. Биохимическое тестирование имеет неоспоримое и, по мнению авторов одного из таких исследований, основополагающее преимущество перед другими сложными инструментальными методами диагностики - возможность выполнения его "в полевых условиях", т.е. в местах оказания первой помощи (Laskowitz et al., 2009). К сожалению, примеров такого комплексного подхода ничтожно мало. В современной науке по-прежнему много внимания уделяется поиску новых единичных маркеров, которые бы отличались и чувствительностью, и специфичностью.

Однако качественные сдвиги в биоаналитике и клинической диагностике все-таки происходят. Одно из направлений поиска новых биомаркеров - метаболомика, или наука о метаболоме. Ме-таболом - это конечный продукт генома, по сути это совокупность всех низкомолекулярных метаболитов клетки, ткани или организма. Метаболиты - это конечные или промежуточные продукты обмена живых систем (биологических матриц), характеризующие режим их функционирования. Если проводить некую гносеологическую классификацию, то между геномом и метаболомом необходимо расположить транскриптом (совокупность всех мРНК) и протеом (совокупность всех белков). Изучение метаболома оказалось делом достаточно благодарным: во-первых, потому что основные пути метаболизма были довольно хорошо изучены и о существовании большинства метаболитов хорошо известно, во-вторых, потому что общее количество метаболитов относительно невелико (3 х 103), если сравнивать с общим количеством модифицированных белков (более чем 107) (Wang, Gerszten, 2008). Следует отметить, что метаболомика имеет дело не только с биомаркерами, т.е. метаболитами эндогенного происхождения. В токсикологических и фармакологических исследованиях метаболиты подразделяют на эндогенные и экзогенные (Nordstrom et al., 2006). Метаболиты чужеродных

субстанций (лекарства, яды и т.д.) называют ксе-нометаболитами или ксенобиотиками (Crockford et al., 2008). В этой области исследований появляется другой термин - метабономика (Nicholson et al., 1999, 2002).

Метаболомика как самостоятельная наука получила наибольшее развитие в тех областях прикладных исследований, которые, как следует из самого термина, направлены на определение различных нарушений метаболизма. Эти нарушения могут быть наследственными (врожденными), поэтому скрининговые масс-спектрометрические исследования крови новорожденных с целью выявления отклонений в метаболизме аминокислот, жиров, лизосомальных нарушений и т.д. давно стали нормой в странах ЕС, США, Канаде, Японии (Millington et al., 1990; Rashed, 2001; Haberle et al., 2012; Wittmann et al., 2012). Приобретенные нарушения метаболизма, как правило, характерны для взрослых лиц, связаны они с тем или иным заболеванием, питанием, стрессом, физической нагрузкой, возрастом и т.д.

РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ И МЕТОДОВ МЕТАБОЛОМИКИ.

ХЕМОМЕТРИКА КАК РАЗНОВИДНОСТЬ ИНФОРМАТИКИ

Метаболомика - это в первую очередь методология химического и биохимического анализа, направленная на исчерпывающее определение метаболитов (метаболического профиля) в биологических жидкостях и тканях. На первых порах объектом исследования в метаболомике были так называемые "биожидкости" - плазма или сыворотка крови, моча, затем стали исследовать грудное молоко (Kalantzi et al., 2004), слюну (Bertram et al., 2009), пот (Kutyshenko et al., 2011), спинномозговую жидкость (Crews et al., 2009), а также выдыхаемый воздух (Kanoh et al., 2005), ткани (Huang et al., 2010; Coen et al., 2012), клеточные культуры (van Vliet et al., 2008; Ellis et al., 2011).

Количественное метаболическое профилирование берет начало от одного калифорнийского 10-летнего проекта, осуществленного в 19681978 гг. Тогда было исследовано с использованием методов газовой хроматографии и масс-спект-рометрии более 15 000 биологических образцов человека, впервые была получена информация о метаболических показателях, связанных с возрастом, полом, характером питания, болезнями (Robinson, Robinson, 2011). Наследственные нарушения метаболизма аминокислот в течение мно-

гих лет определяли по результатам качественного и количественного анализа аминокислот в крови и моче. Анализ проводили при помощи ионообменной хроматографии с последующей деривати-зацией нингидрином, производительность метода составляла около восьми образцов в день. Тандем-ная масс-спектрометрия, сопряженная с жидкостной хроматографией, повысила производительность до 40 образцов в день, так как позволила анализировать аминокислоты, их производные и другие низкомолекулярные соединения без дери-ватизации и в различных биологических образцах, приготовленных при осаждении метанолом (Piraud et al., 2011). Следует отметить, что для обнаружения нового биомаркера, как правило, необходимо в немалом количестве образцов (проб) найти и проанализировать огромное количество метаболитов. Так, анализ с применением методов жидкостной и газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией 262 клинических образцов ткани, плазмы крови и мочи, взятых у больных доброкачественной гиперплазией и раком предстательной железы на стадиях локализованного рака и метастазирования, позволил выявить 1126 метаболитов, при этом был обнаружен лишь один новый показатель - саркозин (N-метильное производное глицина), уровень которого повышается при переходе на стадию метастазирования (Sreekumar et al., 2009). В другом исследовании, при сравнении двух продуктов питания, бананов и углеводного напитка, потребляемых профессиональными велосипедистами, оказалось, что исследуемые группы отличались лишь по одному из 103 показателей, так называемого метаболом-ного профиля - дофамину. В то же время 3 из 15 иммунобиохимических показателей (IL-10, IL-8, FRAP (Ferric Reducing Ability of Plasma) - железо-восстанавливающая спо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»