Metabolomics

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 15 juli 2019; kontroller kräver 2 redigeringar .

Metabolomics  är "den systematiska studien av unika kemiska fingeravtryck som är specifika för processer som sker i levande celler" - mer specifikt studien av deras lågmolekylära metaboliska profiler. [1] En metabolom är en samling av alla metaboliter som är slutprodukten av metabolism i en cell, vävnad, organ eller organism [2] . Även om mRNA -genuttrycksdata och proteomisk analysdata inte helt avslöjar allt som kan hända i en cell, kan metaboliska profiler ge en ögonblicksbild av de fysiologiska processerna i en cell. Ett av målen för systembiologi och funktionell genomik  är att integrera data från proteomik , transkriptomik och metabolisk information för att få en mer holistisk syn på levande organismer.

Origins

Tanken att kroppsvätskor återspeglar en individs hälsotillstånd har funnits länge. Myror användes av forntida kinesiska läkare för att bedöma mängden glukos i en patients urin och för att upptäcka diabetes. [3] Under medeltiden användes "urindiagram" som kopplade urinens färg, smak och lukt till olika medicinska egenskaper som i huvudsak var metaboliska till sitt ursprung. [fyra]

Konceptet med en individuell "metabolisk profil", som skulle kunna återspegla sammansättningen av biologiska vätskor, föreslogs av Roger Williams i slutet av 40-talet av förra seklet [5] med hjälp av kromatografiskt papper, han föreslog att karakteristiska metaboliska profiler i urin och saliv är i samband med patologier som schizofreni. Det var dock bara den tekniska tillväxten på 60- och 70-talen som gjorde det möjligt att kvantifiera metabola profiler. [6] Termen "metabolisk profil" myntades 1971 av Horning efter att han kunde visa att gaskromatografi-masspektrometri kunde användas för att detektera föreningar som finns i mänsklig urin och vävnadsextrakt. [3] [7] Hornings grupp, tillsammans med forskare som Linus Pauling och Arthur Robinson , spelade en ledande roll i utvecklingen av gaskromato-masspektrometriska metoder för att övervaka urinmetaboliter under hela 1970-talet. [åtta]

Samtidigt började NMR-spektroskopi, som upptäcktes på 1940-talet, utvecklas snabbt och hade på 1980-talet nått tillräcklig känslighet för att identifiera metaboliter i biologiska prover. [3] [4] Metaboliska studier med hjälp av NMR-spektroskopi utfördes huvudsakligen i Jeremy Nicholsons laboratorium vid Birkbeck College, University of London och senare vid King's College London. 1984 visade Nicholson att proton-NMR-spektroskopi potentiellt kunde användas för att diagnostisera diabetes och var senare banbrytande för användningen av mönsterigenkänning i analysen av NMR-spektroskopidata. [9] [10]

Den 23 januari 2007 slutförde Human Metabolome Program vid University of Alberta (Kanada), ledd av David Wishart , den första versionen av den mänskliga metabolomdatabasen som innehåller information om cirka 2 500 metaboliter, 1 200 läkemedel och 3 500 livsmedelsämnen. [11] [12]

Idag är metabolomik fortfarande ett "nytt" forskningsområde. [13] Ytterligare framsteg på detta område beror på många faktorer, inklusive utvecklingen av den tekniska basen för analytiska metoder, främst masspektrometriska metoder och NMR-spektroskopi. [13]

Metaball

Metabolomen är en komplett uppsättning lågmolekylära metaboliter (såsom metaboliska mellanprodukter, hormoner och andra signalmolekyler och sekundära metaboliter) som kan hittas både i ett biologiskt prov och i en enda organism. [14] [15] Termen är konstruerad i analogi med transcriptomics och proteomics . Liksom transkriptomet och proteomet förändras metabolomen ständigt. Även om metabolomen kan bestämmas relativt enkelt, är det för närvarande inte möjligt att bestämma ett brett spektrum av metaboliter med en enda analysmetod. I januari 2007 slutförde forskare vid University of Alberta och University of Calgary den första versionen av den mänskliga metabolomen. De katalogiserade omkring 2500 metaboliter, 1200 läkemedel och 3500 livsmedelsingredienser som kan hittas i människokroppen. [11] Denna information, tillgänglig från Human Metabolome Database (www.hmdb.ca) och baserad på en analys av den befintliga vetenskapliga litteraturen, är långt ifrån fullständig. [16] Mycket mer är känt om metabolomerna hos andra organismer. Till exempel har över 50 000 växtmetaboliter karakteriserats, och många tusentals har identifierats och karakteriserats i enstaka växter. [17] [18]

Metaboliter

Metaboliter är mellan- och slutprodukter av metabolism. Inom metabolomik definieras metaboliter vanligtvis som vilken molekyl som helst som är mindre än 1 kDa. [19] Det finns dock undantag från denna definition, beroende på det särskilda provet och analysmetoden. Till exempel detekteras makromolekyler som lipoproteiner och albumin tillförlitligt när man analyserar blodplasma med NMR-spektroskopi. [20] Inom växtmetabolomik är det vanligt att skilja mellan "primära" och "sekundära" metaboliter. Primära metaboliter är direkt involverade i normal tillväxt, utveckling och reproduktion. Sekundära metaboliter deltar inte i dessa processer, men har vanligtvis viktiga ekologiska funktioner. Till exempel antibiotika och pigment. [21] Inom mänsklig metabolomik är det vanligt att dela in metaboliter i endogena (producerade av organismen som studeras) och exogena. [22] Metaboliter av främmande ämnen som läkemedel kallas xenometaboliter eller xenobiotika. [23]

Metabolomen bildas av ett stort nätverk av metaboliska reaktioner. där produkterna från en enzymreaktion är utgångsmaterial för andra. Sådana system beskrivs som hypercykler.

Metabonomics

Metabonomics definieras som "den kvantitativa mätningen av det dynamiska multivariata metaboliska svaret från levande system på patofysiologiska stimuli eller genetiska modifieringar". Termen härstammar från grekiskans meta , som betyder "förändring", och nomos , som betyder "en uppsättning regler eller mönster". [24] Detta tillvägagångssätt föreslogs och användes först av Jeremy Nicholson vid King's College i London och används inom toxikologi, sjukdomsdiagnostik och ett antal andra områden. Historiskt sett var det metabonomiska tillvägagångssättet ett av de första försöken att tillämpa systembiologiska tekniker för studiet av metabolism. [25] [26] [27]

Det finns kontroverser när det gäller att definiera skillnaderna mellan metabolomics och metabonomics. Skillnaderna mellan de två tillvägagångssätten är inte begränsade till valet av analytiska metoder, även om metabonomik främst förknippas med NMR-spektroskopi och metabolomik med masspektrometriska tekniker. Trots avsaknaden av en allmänt accepterad synvinkel, tror man att metabolomik ägnar mer uppmärksamhet åt metaboliska profiler på cell- och organnivå och är övervägande associerad med normal endogen metabolism. Metabonomics, å andra sidan, använder metaboliska profiler för att få information om metaboliska förändringar associerade med yttre miljöfaktorer, patologiska processer och icke-genetiska förändringar. Detta är inte en trivial skillnad. Metaboliska studier måste per definition utesluta metabola förändringar på grund av icke-genetiska faktorer, eftersom de är utanför det system som studeras. Men i praktiken, särskilt i studiet av mänskliga sjukdomar, råder förvirring i definitionerna och de anses ofta vara synonyma. [28]

Analytiska metoder

Separationsmetoder

• Gaskromatografi , speciellt med masspektrometrisk detektion ( gaskromatografi-masspektrometri ), är en av de mest kraftfulla och mest använda metoderna. Det ger mycket hög kromatografisk upplösning, men kemisk derivatisering krävs för bestämning av många biomolekyler, utan vilka endast flyktiga föreningar kan analyseras. Vissa makromolekyler och polära metaboliter kan inte analyseras med gaskromatografi. [29]
• Högpresterande vätskekromatografi (HPLC). Jämfört med gaskromatografi har HPLC en lägre kromatografisk upplösning, men detta kompenseras av ett bredare utbud av föreningar som potentiellt kan mätas. [trettio]
• kapillär elektrofores . Kapillärelektrofores har en högre teoretisk separationseffektivitet än HPLC och kan användas för att testa ett bredare spektrum av föreningar än gaskromatografi. Liksom alla elektroforetiska metoder är det mest bekvämt att separera joner. [31]

Detektionsmetoder

• Masspektrometri Masspektrometri används för att identifiera och kvantifiera metaboliter efter separation med gaskromatografi , HPLC eller kapillärelektrofores . Gaskromato-masspektrometri är den mest "naturliga" av dessa kombinationer och utvecklades först. Dessutom gör de befintliga och utvecklade biblioteken av masspektrometriska data det möjligt att identifiera metaboliter genom deras fragmentering under jonisering.
• Kärnmagnetisk resonans (NMR-spektroskopi). NMR är den enda metoden som inte kräver separation av en blandning av de studerade metaboliterna och gör det möjligt att använda de studerade proverna för vidare analys. Alla typer av lågmolekylära metaboliter kan bestämmas samtidigt. De främsta fördelarna med NMR är hög mätreproducerbarhet och enkel provberedning. Även om NMR såklart har en betydligt lägre känslighet än masspektrometriska metoder. [32] [33]
• Tillsammans med NMR-spektroskopi och masspektroskopiska metoder används andra, såsom HPLC med elektrokemisk detektion och tunnskiktskromatografi av blandningar med isotopmärkningar.

Statistiska metoder

Metaboliska data är vanligtvis resultat av olika mätningar av föremål under olika förhållanden. Dessa kan vara digitala spektra eller listor över metaboliter och deras koncentrationer. I det enklaste fallet presenteras dessa data i form av en matris, där rader motsvarar prover och kolumner motsvarar metabolitkoncentrationer. Olika statistiska metoder används för att analysera sådana data, vanligtvis projektionsmetoder som huvudkomponentregression och latent variabel projektionsregression. [34]

Huvudapplikationer

• Toxikologi . Metaboliska profiler (särskilt urin och blodplasma) kan användas för att bestämma de fysiologiska förändringar som orsakas av intag av giftiga kemiska föreningar. I många fall kan de observerade förändringarna korreleras med specifika syndrom, såsom specifika lesioner i levern och fettvävnaden. [28]
• Funktionell genomik . Metabolomics kan vara ett utmärkt verktyg för att bestämma fenotypen som är ett resultat av genetiska förändringar som deletion och införande av gener. Detta kan vara bestämningen av fenotypiska förändringar hos genetiskt modifierade djur och växter, förutsägelsen av funktionen hos ostuderade gener genom att jämföra metaboliska förändringar med de som inträffar under insättning och avlägsnande av kända.

Anteckningar

1. ↑ Davis; Bennett. Växtvärk för metabolomik  (neopr.)  // The Scientist. - 2005. - April ( vol. 19 , nr 8 ). - S. 25-28 .
2. ↑ Jordan KW, Nordenstam J., Lauwers GY, Rothenberger DA, Alavi K., Garwood M., Cheng LL Metabolomisk karakterisering av mänskligt rektalt adenokarcinom med intakt vävnad magnetisk resonansspektroskopi  //  Sjukdomar i tjocktarmen och ändtarmen : journal. - 2009. - Mars ( vol. 52 , nr 3 ). - s. 520-525 . - doi : 10.1007/DCR.0b013e31819c9a2c . — PMID 19333056 .
3. ↑ 1 2 3 Van der gref och Smilde, J Chemomet, (2005) 19:376-386
4. ↑ 1 2 Nicholson JK, Lindon JC Systembiologi: Metabonomics   // Nature . - 2008. - Oktober ( vol. 455 , nr 7216 ). - P. 1054-1056 . - doi : 10.1038/4551054a . — PMID 18948945 .
5. ↑ Gates och Sweeley, Clin Chem (1978) 24(10):1663-73
6. ↑ Preti, George. Metabolomics blir myndig? The Scientist , 19[11]:8, 6 juni 2005.
7. ↑ Novotny et al. J Chromatog B (2008) 866:26-47
8. ↑ Griffiths, WJ och Wang, Y. (2009) Chem Soc Rev 38:1882-96
9. ↑ Holmes E och Antti H (2002) Analyst 127:1549-57
10. ↑ Lenz EM och 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. - Januari ( vol. 35 , nr Databasnummer ). - 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 kunskapsbas för den mänskliga metabolomen   // Nucleic Acids Research : journal. - 2009. - Vol. 37 , nr. Databasproblem . — 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. Arkiverad från originalet den 28 juni 2010. Hämtad 28 juni 2010 {{subst:Service Sections}}.
14. ↑ Oliver SG, Winson MK, Kell DB, Baganz F. Systematisk funktionell analys av jästgenomet  //  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. Aktuella utmaningar inom metabolomik för diabetesforskning: ett viktigt funktionellt genomiskt verktyg eller bara ett knep för att få finansiering? (engelska)  // Physiol. Genomics: tidskrift. - 2008. - Juni ( vol. 34 , nr 1 ). - S. 1-5 . - doi : 10.1152/physiolgenomics.00009.2008 . — PMID 18413782 .
16. ↑ Pearson H. Möt den mänskliga metabolomen   // Nature . - 2007. - Mars ( vol. 446 , nr 7131 ). — S. 8 . - doi : 10.1038/446008a . — PMID 17330009 .
17. ↑ De Luca V., St Pierre B. Cell- och utvecklingsbiologin för alkaloidbiosyntes  // Trender Plant Sci  . : journal. - 2000. - April ( vol. 5 , nr 4 ). - S. 168-173 . - doi : 10.1016/S1360-1385(00)01575-2 . — PMID 10740298 .
18. ↑ Griffin JL, Shockcor JP Metaboliska profiler av cancerceller   // Nat . Varv. Cancer  : journal. - 2004. - Juli ( vol. 4 , nr 7 ). - s. 551-561 . doi : 10.1038 / nrc1390 . — PMID 15229480 .
19. ↑ Samuelsson LM, Larsson DG Bidrag från metabolomik till  fiskforskning // Mol  Biosyst : journal. - 2008. - Oktober ( vol. 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 och 1H-13C NMR-spektroskopi av humant blodplasma   // Anal . Chem. : journal. - 1995. - Mars ( vol. 67 , nr 5 ). - s. 793-811 . - doi : 10.1021/ac00101a004 . — PMID 7762816 .
21. ↑ Bentley R. Sekundär metabolitbiosyntes: det första århundradet   // Crit . Varv. Biotechnol. : journal. - 1999. - Vol. 19 , nr. 1 . - S. 1-40 . - doi : 10.1080/0738-859991229189 . — PMID 10230052 .
22. ↑ Nordström A., O'Maille G., Qin C., Siuzdak G. Icke-linjär dataanpassning för UPLC-MS och HPLC-MS-baserad metabolomik: kvantitativ analys av endogena och exogena metaboliter i humant serum   // Anal . Chem. : journal. - 2006. - Maj ( vol. 78 , nr 10 ). - P. 3289-3295 . - doi : 10.1021/ac060245f . — PMID 16689529 .
23. ↑ Crockford DJ, Maher AD, Ahmadi KR, et al. 1H NMR och UPLC-MS(E) statistisk heterospektroskopi: karakterisering av läkemedelsmetaboliter (xenometabolom) i epidemiologiska studier  //  Anal . Chem. : journal. - 2008. - September ( vol. 80 , nr 18 ). - P. 6835-6844 . doi : 10.1021 / ac801075m . — PMID 18700783 .
24. ↑ Nicholson JK Global systembiologi, personlig medicin och molekylär epidemiologi  (engelska)  // Mol. Syst. Biol. : journal. - 2006. - Vol. 2 . — S. 52 . - doi : 10.1038/msb4100095 . — PMID 17016518 .
25. ↑ Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. 'Metabonomics': förståelse av de metaboliska svaren från levande system på patofysiologiska stimuli via multivariat statistisk analys av biologiska NMR-spektroskopiska  data //  Xenobiotica : journal. - 1999. - November ( vol. 29 , nr 11 ). - P. 1181-1189 . - doi : 10.1080/004982599238047 . — PMID 10598751 .
26. ↑ Nicholson JK, Connelly J., Lindon JC, Holmes E. Metabonomics: en plattform för att studera läkemedelstoxicitet och genfunktion  // Nat Rev Drug Discov  : journal  . - 2002. - Februari ( vol. 1 , nr 2 ). - S. 153-161 . doi : 10.1038 / nrd728 . — PMID 12120097 .
27. ↑ Holmes E., Wilson ID, Nicholson JK Metabolisk fenotypning i hälsa och sjukdom   // 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 ( vol. 85 , nr 2 ). - P. 809-822 . doi : 10.1093 / toxsci/kfi102 . — PMID 15689416 .
29. ↑ Schauer N., Steinhauser D., Strelkov S., et al. GC-MS bibliotek för snabb identifiering av metaboliter i komplexa biologiska prover  (engelska)  // FEBS Lett. : journal. - 2005. - Februari ( vol. 579 , nr 6 ). - P. 1332-1337 . - doi : 10.1016/j.febslet.2005.01.029 . — PMID 15733837 .
30. ↑ Gika HG, Theodoridis GA, Wingate JE, Wilson ID Reproducerbarhet inom en dag för en HPLC-MS-baserad metod för metabonomisk analys: applicering på mänsklig urin  //  J. Proteome Res. : journal. - 2007. - Augusti ( vol. 6 , nr 8 ). - P. 3291-3303 . - doi : 10.1021/pr070183p . — PMID 17625818 .
31. ↑ Lapainis T., Rubakhin SS, Sweedler JV Kapillärelektrofores med elektrosprayjonisering masspektrometrisk detektion för encellig metabolomik   // Anal . Chem. : journal. - 2009. - Juli ( vol. 81 , nr 14 ). - P. 5858-5864 . - doi : 10.1021/ac900936g . — PMID 19518091 .
32. ↑ Griffin JL Metabonomics: NMR-spektroskopi och mönsterigenkänningsanalys av kroppsvätskor och vävnader för karakterisering av xenobiotisk toxicitet och sjukdomsdiagnos  //  Curr Opin Chem Biol : journal. - 2003. - Oktober ( vol. 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, metabolomiska och metabonomiska procedurer för NMR-spektroskopi av urin, plasma, serum och vävnadsextrakt  (engelska)  // Nat Protoc : journal. - 2007. - Vol. 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. - Februari ( vol. 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 och Ellis, DI (2005), Metabolomics: nuvarande analytiska plattformar och metoder. Trends in Analytical Chemistry 24(4), 285-294.
• Ellis, DI och Goodacre, R. (2006) Metaboliskt fingeravtryck vid sjukdomsdiagnostik: biomedicinska tillämpningar av infraröd och 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 och Di Leo, A. (2007) Metabolomics: Tillgängliga resultat, aktuella forskningsprojekt inom bröstcancer och framtida *Ansökningar. J Clin Oncol 14 maj; [Epub före tryckning]. https://web.archive.org/web/20080120072634/http://lab.bcb.iastate.edu/projects/plantmetabolomics/
• Ellis, DI, Dunn, WB, Griffin, JL, Allwood, JW och 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 // Aktuell  läkemedelsmetabolism : journal. - 2008. - Januari ( vol. 9 , nr 1 ). - S. 89-98 . - doi : 10.2174/138920008783331149 . — PMID 18220576 .  (inte tillgänglig länk)

Länkar

• Metabolism på Curlie Link Directory (dmoz)
• HMDB

Ordböcker och uppslagsverk	Stor katalanska Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	GND : 4807318-0

Personlig medicin
Omix datasektioner	Genom Transkriptom epigenom Proteom Metabol Mikrobiom Metagenom Exposom V(D)J-ohm
Applikationssektioner	Klinisk undersökning medicinsk genetik Molekylär kirurgi Personlig genomik Regenerativ medicin Farmakogenetik
Metoder	Genotypning Länkad immunosorbentanalys Sekvensering
Relaterade artiklar	Bioinformatik Systemisk medicin Teranostik Accelererad rehabiliteringskirurgi