Metabolomics

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 15. juli 2019; checks kræver 2 redigeringer .

Metabolomics  er "det systematiske studie af unikke kemiske fingeraftryk, der er specifikke for processer, der forekommer i levende celler" - mere specifikt studiet af deres lavmolekylære metaboliske profiler. [1] Et metabolom er en samling af alle metabolitter, der er slutproduktet af metabolisme i en celle, væv, organ eller organisme [2] . Mens mRNA -genekspressionsdata og proteomiske analysedata ikke fuldt ud afslører alt, hvad der kan ske i en celle, kan metaboliske profiler give et øjebliksbillede af de fysiologiske processer i en celle. Et af målene for systembiologi og funktionel genomik  er at integrere data fra proteomik , transkriptomik og metabolisk information for at opnå et mere holistisk syn på levende organismer.

Oprindelse

Ideen om, at kropsvæsker afspejler en persons helbredstilstand, har eksisteret i lang tid. Myrer blev brugt af gamle kinesiske læger til at vurdere mængden af ​​glukose i en patients urin og til at opdage diabetes. [3] I middelalderen blev der brugt "urindiagrammer", der kædede urinens farve, smag og lugt sammen med forskellige medicinske egenskaber, der i det væsentlige var metaboliske af oprindelse. [fire]

Konceptet med en individuel "metabolisk profil", som kunne afspejle sammensætningen af ​​biologiske væsker, blev foreslået af Roger Williams i slutningen af ​​40'erne af forrige århundrede [5] ved hjælp af kromatografisk papir, han foreslog, at karakteristiske metaboliske profiler i urin og spyt er forbundet med patologier som skizofreni. Det var dog kun den teknologiske vækst i 60'erne og 70'erne, der gjorde det muligt at kvantificere metaboliske profiler. [6] Udtrykket "metabolisk profil" blev opfundet i 1971 af Horning , efter at han var i stand til at vise, at gaskromatografi-massespektrometri kunne bruges til at påvise forbindelser til stede i menneskelig urin og vævsekstrakter. [3] [7] Hornings gruppe spillede sammen med videnskabsmænd som Linus Pauling og Arthur Robinson en førende rolle i udviklingen af ​​gaskromato-massespektrometriske metoder til overvågning af urinmetabolitter gennem 1970'erne. [otte]

Samtidig begyndte NMR-spektroskopi, som blev opdaget i 1940'erne, at udvikle sig hurtigt og havde i 1980'erne nået tilstrækkelig følsomhed til at identificere metabolitter i biologiske prøver. [3] [4] Metaboliske undersøgelser ved hjælp af NMR-spektroskopi blev primært udført i Jeremy Nicholsons laboratorium ved Birkbeck College, University of London og senere på King's College London. I 1984 viste Nicholson, at proton-NMR-spektroskopi potentielt kunne bruges til at diagnosticere diabetes og var senere banebrydende for brugen af ​​mønstergenkendelse i analysen af ​​NMR-spektroskopidata. [9] [10]

Den 23. januar 2007 færdiggjorde Human Metabolome Program ved University of Alberta (Canada), ledet af David Wishart , den første version af den humane metabolomdatabase indeholdende information om cirka 2.500 metabolitter, 1.200 lægemidler og 3.500 fødevarestoffer. [11] [12]

I dag er metabolomics stadig et "nyt" forskningsområde. [13] Yderligere fremskridt på dette område afhænger af mange faktorer, herunder udviklingen af ​​det tekniske grundlag for analytiske metoder, primært massespektrometriske metoder og NMR-spektroskopi. [13]

Metaball

Metabolomet er et komplet sæt af lavmolekylære metabolitter (såsom metaboliske mellemprodukter, hormoner og andre signalmolekyler og sekundære metabolitter), der kan findes både i en biologisk prøve og i en enkelt organisme. [14] [15] Udtrykket er konstrueret i analogi med transkriptomik og proteomik . Ligesom transkriptomet og proteomet ændres metabolomet konstant. Selvom metabolomet relativt let kan bestemmes, er det i øjeblikket ikke muligt at bestemme en lang række metabolitter ved hjælp af en enkelt analysemetode. I januar 2007 færdiggjorde forskere ved University of Alberta og University of Calgary den første version af det menneskelige metabolom. De katalogiserede omkring 2500 metabolitter, 1200 lægemidler og 3500 fødevareingredienser, der kan findes i den menneskelige krop. [11] Denne information, der er tilgængelig fra Human Metabolome Database (www.hmdb.ca) og baseret på en analyse af den eksisterende videnskabelige litteratur, er langt fra fuldstændig. [16] Meget mere er kendt om andre organismers metabolomer. For eksempel er over 50.000 plantemetabolitter blevet karakteriseret, og mange tusinde er blevet identificeret og karakteriseret i enkelte planter. [17] [18]

Metabolitter

Metabolitter er mellem- og slutprodukter af stofskiftet. I metabolomics er metabolitter normalt defineret som ethvert molekyle mindre end 1 kDa. [19] Der er dog undtagelser fra denne definition, afhængigt af den særlige prøve og analysemetode. For eksempel detekteres makromolekyler såsom lipoproteiner og albumin pålideligt, når blodplasma analyseres ved NMR-spektroskopi. [20] I plantemetabolomik er det sædvanligt at skelne mellem "primære" og "sekundære" metabolitter. Primære metabolitter er direkte involveret i normal vækst, udvikling og reproduktion. Sekundære metabolitter deltager ikke i disse processer, men har normalt vigtige økologiske funktioner. For eksempel antibiotika og pigmenter. [21] I menneskelig metabolomik er det sædvanligt at opdele metabolitter i endogene (produceret af den undersøgte organisme) og eksogene. [22] Metabolitter af fremmede stoffer såsom lægemidler kaldes xenometabolitter eller xenobiotika. [23]

Metabolomet er dannet af et stort netværk af metaboliske reaktioner. hvor produkterne fra én enzymreaktion er udgangsmaterialerne for andre. Sådanne systemer beskrives som hypercykler.

Metabonomics

Metabonomics er defineret som "den kvantitative måling af levende systemers dynamiske multivariate metaboliske respons på patofysiologiske stimuli eller genetiske modifikationer". Udtrykket er afledt af det græske meta , der betyder "ændring", og nomos , der betyder "et sæt regler eller mønstre". [24] Denne tilgang blev først foreslået og brugt af Jeremy Nicholson ved King's College London og bruges i toksikologi, sygdomsdiagnostik og en række andre områder. Historisk set var den metabonomiske tilgang et af de første forsøg på at anvende systembiologiske teknikker til studiet af metabolisme. [25] [26] [27]

Der er kontroverser i at definere forskellene mellem metabolomics og metabonomics. Forskellene mellem de to tilgange er ikke begrænset til valget af analytiske metoder, selvom metabonomi overvejende er forbundet med NMR-spektroskopi og metabolomik med massespektrometriske teknikker. På trods af manglen på et generelt accepteret synspunkt, menes det, at metabolomics er mere opmærksomme på metaboliske profiler på celle- og organniveau og overvejende er forbundet med normal endogen metabolisme. Metabonomics bruger på den anden side metaboliske profiler til at opnå information om metaboliske ændringer forbundet med eksterne miljøfaktorer, patologiske processer og ikke-genetiske ændringer. Dette er ikke en triviel skelnen. Metaboliske undersøgelser skal per definition udelukke metaboliske ændringer på grund af ikke-genetiske faktorer, fordi de er eksterne i forhold til det undersøgte system. I praksis er der dog, især i studiet af menneskelige sygdomme, forvirring i definitionerne, og de betragtes ofte som synonyme. [28]

Analytiske metoder

Adskillelsesmetoder

• Gaschromatografi , især med massespektrometrisk detektion ( gaskromatografi-massespektrometri ), er en af ​​de mest kraftfulde og mest anvendte metoder. Det giver meget høj kromatografisk opløsning, men kemisk derivatisering er påkrævet til bestemmelse af mange biomolekyler, uden hvilke kun flygtige forbindelser kan analyseres. Nogle makromolekyler og polære metabolitter kan ikke analyseres ved hjælp af gaskromatografi. [29]
• Højtydende væskekromatografi (HPLC). Sammenlignet med gaskromatografi har HPLC en lavere kromatografisk opløsning, men dette opvejes af en bredere vifte af forbindelser, der potentielt kan måles. [tredive]
• kapillær elektroforese . Kapillærelektroforese har en højere teoretisk adskillelseseffektivitet end HPLC og kan bruges til at teste en bredere vifte af forbindelser end gaskromatografi. Som alle elektroforetiske metoder er det mest bekvemt at adskille ioner. [31]

Detektionsmetoder

• Massespektrometri Massespektrometri bruges til at identificere og kvantificere metabolitter efter separation ved gaskromatografi , HPLC eller kapillarelektroforese . Gas-chromato-massespektrometri er den mest "naturlige" af disse kombinationer og blev udviklet først. Derudover gør de eksisterende og udviklede biblioteker af massespektrometriske data det muligt at identificere metabolitter ved deres fragmentering under ionisering.
• Kernemagnetisk resonans (NMR-spektroskopi). NMR er den eneste metode, der ikke kræver adskillelse af en blanding af de undersøgte metabolitter og tillader at bruge de undersøgte prøver til yderligere analyse. Alle typer af lavmolekylære metabolitter kan bestemmes samtidigt. De vigtigste fordele ved NMR er høj målereproducerbarhed og nem prøveforberedelse. Selvom NMR selvfølgelig har en væsentlig lavere følsomhed end massespektrometriske metoder. [32] [33]
• Sammen med NMR-spektroskopi og massespektroskopiske metoder anvendes andre, såsom HPLC med elektrokemisk detektion og tyndtlagskromatografi af blandinger med isotopmærker.

Statistiske metoder

Metaboliske data er normalt resultaterne af forskellige målinger af objekter under forskellige forhold. Disse kan være digitale spektre eller lister over metabolitter og deres koncentrationer. I det enkleste tilfælde præsenteres disse data i form af en matrix, hvor rækker svarer til prøver, og kolonner svarer til metabolitkoncentrationer. Forskellige statistiske metoder bruges til at analysere sådanne data, sædvanligvis projektionsmetoder såsom hovedkomponentregression og latent variabel projektionsregression. [34]

Hovedapplikationer

• Toksikologi . Metaboliske profiler (især urin og blodplasma) kan bruges til at bestemme de fysiologiske ændringer forårsaget af indtagelse af giftige kemiske forbindelser. I mange tilfælde kan de observerede ændringer være korreleret med specifikke syndromer, såsom specifikke læsioner i leveren og fedtvæv. [28]
• Funktionel genomik . Metabolomics kan være et glimrende værktøj til at bestemme den fænotype, der er et resultat af genetiske ændringer, såsom deletion og indsættelse af gener. Dette kan være bestemmelsen af ​​fænotypiske ændringer i genetisk modificerede dyr og planter, forudsigelsen af ​​funktionen af ​​ustuderede gener ved at sammenligne metaboliske ændringer med dem, der opstår under indsættelse og fjernelse af kendte.

Noter

1. ↑ Davis; Bennett. Voksesmerter for metabolomics  (neopr.)  // The Scientist. - 2005. - April ( bd. 19 , nr. 8 ). - S. 25-28 .
2. ↑ Jordan KW, Nordenstam J., Lauwers GY, Rothenberger DA, Alavi K., Garwood M., Cheng LL Metabolomisk karakterisering af human rektal adenokarcinom med intakt væv magnetisk resonansspektroskopi  //  Sygdomme i tyktarmen og endetarmen : journal. - 2009. - Marts ( bind 52 , nr. 3 ). - S. 520-525 . - doi : 10.1007/DCR.0b013e31819c9a2c . — PMID 19333056 .
3. ↑ 1 2 3 Van der gref og Smilde, J Chemomet, (2005) 19:376-386
4. ↑ 1 2 Nicholson JK, Lindon JC Systembiologi: Metabonomics   // Nature . - 2008. - Oktober ( bind 455 , nr. 7216 ). - S. 1054-1056 . - doi : 10.1038/4551054a . — PMID 18948945 .
5. ↑ Gates og Sweeley, Clin Chem (1978) 24(10):1663-73
6. ↑ Preti, George. Metabolomics bliver myndig? The Scientist , 19[11]:8, 6. juni 2005.
7. ↑ Novotny et al. J Chromatog B (2008) 866:26-47
8. ↑ Griffiths, WJ og Wang, Y. (2009) Chem Soc Rev 38:1882-96
9. ↑ Holmes E og Antti H (2002) Analyst 127:1549-57
10. ↑ Lenz EM og Wilson ID (2007) J Proteome Res 6(2):443-58
11. ↑ 1 2 Wishart DS, Tzur D., Knox C., et al. HMDB: Human Metabolome Database  //  Nucleic Acids Research : journal. - 2007. - Januar ( bd. 35 , nr. Databaseudgave ). - P. D521-6 . doi : 10.1093 / nar/gkl923 . — PMID 17202168 .
12. ↑ Wishart DS, Knox C., Guo AC, Eisner R., Young N., Gautam B., Hau DD, Psychogios N., Dong E., Bouatra S., Mandal R., Sinelnikov I., Xia J., Jia L., Cruz JA, Lim E., Sobsey CA, Shrivastava S., Huang P., Liu P., Fang L., Peng J., Fradette R., Cheng D., Tzur D., Clements M., Lewis A., De Souza A., Zuniga A., Dawe M., Xiong Y., Clive D., Greiner R., Nazyrova A., Shaykhutdinov R., Li L., Vogel HJ, Forsythe I. HMDB: a vidensbase for det menneskelige metabolom   // Nucleic Acids Research : journal. - 2009. - Bd. 37 , nr. Database problem . — P.D603 . - doi : 10.1093/nar/gkn810 . — PMID 18953024 .
13. ↑ 1 2 Morrow Jr., Ph.D., K. John . Mass Spec Central to Metabolomics  (1. april 2010), s. 1. Arkiveret fra originalen den 28. juni 2010. Hentet 28. juni 2010 {{subst:Service Sections}}.
14. ↑ Oliver SG, Winson MK, Kell DB, Baganz F. Systematisk funktionel analyse af gærgenomet  //  Trends in Biotechnology : journal. - Cell Press , 1998. - September ( vol. 16 , nr. 9 ). - s. 373-378 . - doi : 10.1016/S0167-7799(98)01214-1 . — PMID 9744112 .
15. ↑ Griffin JL, Vidal-Puig A. Aktuelle udfordringer inden for metabolomik til diabetesforskning: et vital funktionelt genomisk værktøj eller blot et trick for at få finansiering? (engelsk)  // Physiol. Genomics: tidsskrift. - 2008. - Juni ( bind 34 , nr. 1 ). - S. 1-5 . - doi : 10.1152/physiolgenomics.00009.2008 . — PMID 18413782 .
16. ↑ Pearson H. Mød det menneskelige metabolom   // Nature . - 2007. - Marts ( bd. 446 , nr. 7131 ). — S. 8 . - doi : 10.1038/446008a . — PMID 17330009 .
17. ↑ De Luca V., St. Pierre B. Alkaloidbiosyntesens celle- og udviklingsbiologi  // Trends Plant Sci  . : journal. - 2000. - April ( bind 5 , nr. 4 ). - S. 168-173 . - doi : 10.1016/S1360-1385(00)01575-2 . — PMID 10740298 .
18. ↑ Griffin JL, Shockcor JP Metaboliske profiler af cancerceller   // Nat . Rev. Kræft  : journal. - 2004. - Juli ( bind 4 , nr. 7 ). - S. 551-561 . doi : 10.1038 / nrc1390 . — PMID 15229480 .
19. ↑ Samuelsson LM, Larsson DG Bidrag fra metabolomics til fiskeforskning  // Mol  Biosyst : journal. - 2008. - Oktober ( bind 4 , nr. 10 ). - S. 974-979 . - doi : 10.1039/b804196b . — PMID 19082135 .
20. ↑ Nicholson JK, Foxall PJ, Spraul M., Farrant RD, Lindon JC 750 MHz 1H og 1H-13C NMR-spektroskopi af humant blodplasma   // Anal . Chem. : journal. - 1995. - Marts ( bind 67 , nr. 5 ). - s. 793-811 . - doi : 10.1021/ac00101a004 . — PMID 7762816 .
21. ↑ Bentley R. Sekundær metabolitbiosyntese: det første århundrede   // Crit . Rev. Biotechnol. : journal. - 1999. - Bd. 19 , nr. 1 . - S. 1-40 . - doi : 10.1080/0738-859991229189 . — PMID 10230052 .
22. ↑ Nordström A., O'Maille G., Qin C., Siuzdak G. Ikke-lineær datajustering for UPLC-MS og HPLC-MS baseret metabolomics: kvantitativ analyse af endogene og eksogene metabolitter i humant serum   // Anal . Chem. : journal. - 2006. - Maj ( bind 78 , nr. 10 ). - P. 3289-3295 . - doi : 10.1021/ac060245f . — PMID 16689529 .
23. ↑ Crockford DJ, Maher AD, Ahmadi KR, et al. 1H NMR og UPLC-MS(E) statistisk heterospektroskopi: karakterisering af lægemiddelmetabolitter (xenometabolom) i epidemiologiske undersøgelser  //  Anal . Chem. : journal. - 2008. - September ( bind 80 , nr. 18 ). - P. 6835-6844 . doi : 10.1021 / ac801075m . — PMID 18700783 .
24. ↑ Nicholson JK Global systembiologi, personlig medicin og molekylær epidemiologi  (engelsk)  // Mol. Syst. Biol. : journal. - 2006. - Bd. 2 . — S. 52 . - doi : 10.1038/msb4100095 . — PMID 17016518 .
25. ↑ Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. 'Metabonomics': forståelse af levende systemers metaboliske reaktioner på patofysiologiske stimuli via multivariat statistisk analyse af biologiske NMR-spektroskopiske  data //  Xenobiotica : journal. - 1999. - November ( bind 29 , nr. 11 ). - S. 1181-1189 . - doi : 10.1080/004982599238047 . — PMID 10598751 .
26. ↑ Nicholson JK, Connelly J., Lindon JC, Holmes E. Metabonomics: a platform for studying drug toxicity and gen function  // Nat Rev Drug Discov  : journal  . - 2002. - Februar ( bind 1 , nr. 2 ). - S. 153-161 . doi : 10.1038 / nrd728 . — PMID 12120097 .
27. ↑ Holmes E., Wilson ID, Nicholson JK Metabolisk fænotypning i sundhed og sygdom   // Cell . - Cell Press , 2008. - September ( vol. 134 , nr. 5 ). - s. 714-717 . - doi : 10.1016/j.cell.2008.08.026 . — PMID 18775301 .
28. ↑ 1 2 Robertson DG Metabonomics in toxicology: a review   // Toxicol . sci. : journal. - 2005. - Juni ( bind 85 , nr. 2 ). - s. 809-822 . doi : 10.1093 / toxsci/kfi102 . — PMID 15689416 .
29. ↑ Schauer N., Steinhauser D., Strelkov S., et al. GC-MS biblioteker til hurtig identifikation af metabolitter i komplekse biologiske prøver  (engelsk)  // FEBS Lett. : journal. - 2005. - Februar ( bind 579 , nr. 6 ). - S. 1332-1337 . - doi : 10.1016/j.febslet.2005.01.029 . — PMID 15733837 .
30. ↑ Gika HG, Theodoridis GA, Wingate JE, Wilson ID Inden for dages reproducerbarhed af en HPLC-MS-baseret metode til metabonomisk analyse: påføring på human urin  //  J. Proteome Res. : journal. - 2007. - August ( bind 6 , nr. 8 ). - P. 3291-3303 . - doi : 10.1021/pr070183p . — PMID 17625818 .
31. ↑ Lapainis T., Rubakhin SS, Sweedler JV Kapillærelektroforese med elektrosprayionisering massespektrometrisk detektion for enkeltcellet metabolomik   // Anal . Chem. : journal. - 2009. - Juli ( bind 81 , nr. 14 ). - P. 5858-5864 . - doi : 10.1021/ac900936g . — PMID 19518091 .
32. ↑ Griffin JL Metabonomics: NMR-spektroskopi og mønstergenkendelsesanalyse af kropsvæsker og væv til karakterisering af xenobiotisk toksicitet og sygdomsdiagnose  //  Curr Opin Chem Biol : tidsskrift. - 2003. - Oktober ( bind 7 , nr. 5 ). - S. 648-654 . - doi : 10.1016/j.cbpa.2003.08.008 . — PMID 14580571 .
33. ↑ Beckonert O., Keun HC, Ebbels TM, et al. Metabolisk profilering, metabolomiske og metabonomiske procedurer til NMR-spektroskopi af urin, plasma, serum og vævsekstrakter  (engelsk)  // Nat Protoc : journal. - 2007. - Bd. 2 , nr. 11 . - P. 2692-2703 . - doi : 10.1038/nprot.2007.376 . — PMID 18007604 .
34. ↑ Trygg J., Holmes E., Lundstedt T. Chemometrics in metabonomics  //  J. Proteome Res. : journal. - 2007. - Februar ( bind 6 , nr. 2 ). - S. 469-479 . - doi : 10.1021/pr060594q . — PMID 17269704 .

Litteratur

• Tomita M., Nishioka T. (2005), Metabolomics: The Frontier of Systems Biology, Springer, ISBN 4-431-25121-9
• Wolfram Weckwerth W. (2006), Metabolomics: Methods And Protocols (Methods in Molecular Biology), Humana Press, ISBN 1-58829-561-3
• Dunn, WB og Ellis, DI (2005), Metabolomics: nuværende analytiske platforme og metoder. Trends in Analytical Chemistry 24(4), 285-294.
• Ellis, DI og Goodacre, R. (2006) Metabolisk fingeraftryk i sygdomsdiagnose: biomedicinske anvendelser af infrarød og Raman-spektroskopi. Analyst 131, 875-885. DOI:10.1039/b602376m

http://dbkgroup.org/dave_files/AnalystMetabolicFingerprinting2006.pdf

• Claudino, WM, Quatronne, A., Pestrim, M., Biganzoli, L., Bertini og Di Leo, A. (2007) Metabolomics: Tilgængelige resultater, aktuelle forskningsprojekter i brystkræft og fremtidige *Ansøgninger. J Clin Oncol 14. maj; [Epub forud for tryk]. https://web.archive.org/web/20080120072634/http://lab.bcb.iastate.edu/projects/plantmetabolomics/
• Ellis, DI, Dunn, WB, Griffin, JL, Allwood, JW og Goodacre, R. (2007) Metabolic Fingerprinting as a Diagnostic Tool. Pharmacogenomics, 8(9), 1243-1266. http://dbkgroup.org/dave_files/Pharmacogenomics.pdf
• Gomase VS, Changbhale SS, Patil SA, Kale KV Metabolomics  // Nuværende  lægemiddelmetabolisme : journal. - 2008. - Januar ( bind 9 , nr. 1 ). - S. 89-98 . - doi : 10.2174/138920008783331149 . — PMID 18220576 .  (utilgængeligt link)

Links

• Metabolisme hos Curlie Link Directory (dmoz)
• HMDB

Ordbøger og encyklopædier	Fantastisk catalansk Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	GND : 4807318-0

Personlig medicin
Omix-datasektioner	Genom Transkriptom epigenom Proteom Metabole Mikrobiom Metagenom Exposom V(D)J-ohm
Ansøgningssektioner	Klinisk undersøgelse medicinsk genetik Molekylær kirurgi Personlig genomik Regenerativ medicin Farmakogenetik
Metoder	Genotyping Linket immunosorbent assay Sekvensering
Relaterede artikler	bioinformatik Systemisk medicin Teranostik Accelereret genoptræningskirurgi