Una introducción a la metabolómica | La revista científica®

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¿Qué es la metabolómica?

La metabolómica es el análisis de alto rendimiento de el metaboloma—la colección de pequeñas moléculas dentro de una muestra biológica, como células, tejidos o fluidos biológicos.¹ Estas moléculas, o metabolitos, son los productos intermedios de reacciones metabólicas y son necesaria para que las células funcionen.² Los metabolitos suelen ser menos de 1500 Da de tamaño e incluir un gama de diferentes compuestos como aminoácidos, lípidos, ácidos grasos, esteroides, vitaminas, minerales, fármacos y carbohidratos.^1,2

¿Cómo se generan y analizan los datos de metabolómica?

Los científicos generan datos metabolómicos utilizando instrumentos llamados espectrómetros. Las muestras preparadas pueden someterse a diferentes espectrometría de masas métodos, como la espectrometría de masas por cromatografía de gases (GC-MS) o la espectrometría de masas por cromatografía líquida (LC-MS).³ Los espectrómetros de masas funcionan detectando la intensidad relativa de los compuestos ionizados a través de sus relación masa-carga.⁴ Los científicos también pueden realizar análisis metabolómicos utilizando resonancia magnética nuclear (RMN) espectroscopia,⁵ que mide la frecuencia de resonancia específica de las muestras cuando se exponen a diferencias en el campo magnético.⁴

Después de estas plataformas detectar metabolitos en una muestralos datos resultantes se preprocesan y normalizan.⁴ Si se desconocen los metabolitos presentes en la muestra, los investigadores pueden identificarlos basándose en datos disponibles públicamente. bases de datos de metabolómica.⁶ Luego, los científicos pueden determinar si la presencia de ciertos metabolitos dentro de la muestra es significativa y pueden integrar sus resultados con otros datos -ómicoscomo genómica, transcriptómica y proteómica, para examinar las relaciones entre los conjuntos de datos.⁴

Los científicos pueden realizar análisis metabolómicos de forma específica, centrándose en un metabolito o clase de metabolitos específicoso de forma no dirigida, analizando globalmente el metaboloma de una muestra.⁷ Muestras de control de calidad (QC) se utilizan para filtrar características de baja calidad, como ruido de fondo o compuestos coeluyentes, de la muestra durante el preprocesamiento, evaluar el rendimiento analítico y garantizar que los resultados de la metabolómica sean válidos.⁸ En un análisis dirigido, la muestra de control de calidad suele ser un metabolito de referencia de valor conocido, mientras que un análisis no dirigido utiliza una muestra de control de calidad agrupada que consta de pequeñas alícuotas de muestras de estudio.

¿Por qué es importante el metaboloma?

De todos los diferentes -omas de las células, se considera que el metaboloma es el mejor. reflejar el fenotipo biológico de una muestra porque muestra qué reacciones metabólicas han ocurrido.⁹ Los enfoques de metabolómica dirigida y no dirigida pueden responder diferentes preguntas sobre muestras biológicas, incluida cómo se han visto afectadas por factores ambientales o dietéticos, mutaciones genéticas o estados patológicos.

Por ejemplo, antes de una competición, una muestra de orina de un atleta puede ser sometida a un análisis antidopaje de metabolómica dirigida para determinar si han tomado una droga prohibida, como los esteroides anabólicos androgénicos.⁷ Por el contrario, un análisis metabolómico no dirigido del plasma humano puede revelar rutas metabólicas que difieren entre individuos enfermos y sanos, proporcionando datos útiles para el diagnóstico y modelado de enfermedades.¹⁰

Ejemplos de metabolómica en la investigación de enfermedades

La metabolómica proporciona información valiosa sobre la salud y las enfermedades humanas. Tiene una variedad de aplicaciones en salud y medicina, que abarcan nutrición, bioquímica, desarrollo farmacéutico y pruebas de toxicidad de fármacos, diagnóstico, microbiología, ciencia forense y más. Para ayudar a los investigadores, médicos y otras personas a analizar los metabolomas, la base de datos del metaboloma humano (HMDB) se publicó por primera vez en 2007.¹ Con 114.100 metabolitos, ahora es el más base de datos integral de metabolómica para estudios en humanos.⁶ Esta base de datos contiene información sobre metabolitos, incluidas sus funciones biológicas y asociaciones con enfermedades, lo que la hace útil en estudios metabolómicos de la salud y las enfermedades humanas, incluidos los siguientes.

Enfermedades metabólicas

Los investigadores han utilizado la metabolómica dirigida en estudios etiológicos de enfermedades metabólicas, como la diabetes, para identificar metabolitos séricos que son asociado con el riesgo de enfermedad.¹¹ También han utilizado esta técnica para identificar patrones dietéticos que se asocian con un mayor riesgo de diabetes.⁹

Cáncer

La metabolómica también transformó el campo de la investigación del cáncer: los investigadores han aplicado estos métodos para el descubrimiento de biomarcadores tumorales, el descubrimiento de fármacos, pruebas toxicológicas y estudios nutricionales.¹² Por ejemplo, los investigadores emplearon un enfoque de metabolómica no dirigida para identificar nuevos biomarcadores para el cáncer gastroenterológicoque puede utilizarse en el diagnóstico precoz de tumores.¹³ Los científicos también pueden utilizar biomarcadores conocidos de enfermedades de manera específica para controlar la progresión de la enfermedad a lo largo del tiempo.

Enfermedades neurodegenerativas

Los científicos que aplican la metabolómica en la investigación de la enfermedad de Alzheimer (EA) han identificado vías metabólicas afectadas de manera diferencial en muestras de sangre que relacionar el deterioro cognitivo leve con el riesgo futuro de desarrollar EA.¹⁰ Este enfoque pudo identificar a las personas con alto riesgo de desarrollar EA hasta dos años antes que los métodos de diagnóstico estándar actuales.

microbioma

La metabolómica también es fundamental para comprender el microbioma humano. Mediante el análisis del metaboloma, los investigadores detectan, identifican y cuantifican la Metabolitos producidos por las comunidades microbianas. que habitan el cuerpo humano y discernir las relaciones entre estos metabolitos y la salud humana.¹⁴

A medida que los enfoques metabolómicos continúan evolucionando y se identifican nuevos metabolitos adicionales, puede haber un número cada vez mayor de aplicaciones metabolómicas en la investigación de enfermedades humanas y en la biomedicina.

Referencias

1. Wishart DS, et al. HMDB: la base de datos del metaboloma humano. Res de ácidos nucleicos. 2007;35.
2. Nambiar PR, et al. Una encuesta basada en “ómicas” sobre el cáncer de colon humano. Mutat Res Mol Mech Mutágeno. 2010;693(1):3-18.
3. Ren JL, et al. Avances en metabolómica basada en espectrometría de masas para la investigación de metabolitos. RSC avanzado. 2018;8(40):22335-22350.
4. Chen Y, Li EM, Xu LY. Guía para el análisis metabolómico: un flujo de trabajo bioinformático. metabolitos. 2022;12(4).
5. Soininen P, et al. Metabolómica sérica cuantitativa por resonancia magnética nuclear en epidemiología y genética cardiovascular. Circ Cardiovasc Genet. 2015;8(1):192-206.
6. Wishart DS, et al. HMDB 4.0: la base de datos de metabolomas humanos para 2018. Ácidos nucleicos res. 2018;46(D1):D608-D617.
7. Keen B, et al. Metabolómica en toxicología clínica y forense, antidopaje deportivo y residuos veterinarios.. prueba de drogas anal. 2022;14(5):794-807.
8. Godzien J, et al. Controlar la calidad de los datos metabolómicos: nuevas estrategias para aprovechar al máximo la muestra de control de calidad. Metabolómica. 2015;11(3):518-528.
9. González-Covarrubias V, et al. El potencial de la metabolómica en aplicaciones biomédicas. metabolitos. 2022;12(2).
10. Graham SF, et al. El análisis metabolómico no dirigido del plasma humano indica un metabolismo de poliamina y L-arginina afectado de manera diferencial en sujetos con deterioro cognitivo leve que se convierten a la enfermedad de Alzheimer. Más uno. 2015;10(3):e0119452.
11. Floegel A, et al. Identificación de metabolitos séricos asociados con el riesgo de diabetes tipo 2 mediante un enfoque metabolómico dirigido. Diabetes. 2013;62(2):639-648.
12. Danzi F, et al. Hacia la metabolómica y más allá: una cartera tecnológica para investigar el metabolismo del cáncer. Objetivo de transducción de señales. 2023;8(1):137.
13. Nishiumi S, et al. Metabolómica para el descubrimiento de biomarcadores en cáncer gastroenterológico. metabolitos. 2014;4(3):547-571.
14. Bauermeister A, et al. Metabolómica basada en espectrometría de masas en investigaciones de microbiomas.. Microbiol Rev Nacional. 2022;20(3):143-160.