IL PEDIATRA E LO SVILUPPO DELLE SCIENZE OMICHE - Laura Stronati Dipartimento di Biotecnologie Cellulari e Ematologia Sapienza Università di Roma
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
IL PEDIATRA E LO SVILUPPO
DELLE SCIENZE OMICHE
Laura Stronati
Dipartimento di Biotecnologie Cellulari e
Ematologia
Sapienza Università di Roma
il suffisso -omiche è utilizzato per formare nomi con significato di indicare tutti i costituenti analizzati collettivamente… …quindi le scienze omiche studiano pools di molecole biologiche (es., acidi nucleici, proteine, enzimi), con svariate funzioni all’interno degli organismi viventi
Le scienze omiche ad esempio analizzano nel loro insieme: GENOMICA: i geni contenuti nel DNA (genomica) e le loro molteplici funzioni (genomica funzionale); EPIGENOMICA: le modifiche epigenetiche presenti nel materiale genetico di una cellula (l'epigenoma). TRASCRITTOMICA: un gran numero o di tutti i trascritti (trascrittoma); PROTEOMICA: il complesso delle proteine, in particolare delle loro strutture e funzioni.; METABOLOMICA: tutti i metaboliti di un organismo biologico, che sono i prodotti finali del suo metabolismo. Tra gli altri obiettivi delle scienze omiche vi è anche quello di studiare le connessioni e le interazioni reciproche tra i pool di molecole biologiche (interattomica) e tra queste molecole e i microrganismi intestinali (microbiomica), o i patogeni (infettivomica), i cibi e/o i nutrienti (nutrigenomica) e l’ambiente in generale (exposomica).
Lo scopo di tale approccio olistico (o sistemistico) è quello di poter comprendere operando con approcci integrativi, un sistema complesso (che è un gruppo di entità, interconnesse, che formano un insieme integrato), considerato come l’insieme di molecole biologiche che lo compongono (e cioè geni, trascritti, proteine, metaboliti)
L’analisi dei sistemi biologici offre la possibilità di studiare proprietà collettive, cioè proprietà che non possono essere predette dallo studio del comportamento di un singolo componente ma solo dallo studio dell’insieme di quei componenti
L’avvento delle “omics” coincide con uno spettacolare miglioramento tecnologico in diversi ambiti: • biologia molecolare • Informatica • Internet
La genomica è lo studio sistematico del genoma, che rappresenta la quantità totale di DNA di una cellula o un organismo. La conoscenza del genoma risulta quindi utile in ogni campo della biologia e l'avvento di metodi per il sequenziamento del DNA ha accelerato significativamente la ricerca. In medicina, ad esempio, il sequenziamento è usato per identificare e diagnosticare malattie ereditarie e per sviluppare nuovi trattamenti. In modo simile, il genoma degli agenti patogeni può portare allo sviluppo di medicine Le tecniche di DNA microarray consentono di misurare le differenze di espressione delle sequenze di DNA tra diversi individui, permettendo l’analisi dell’espressione di migliaia di geni simultaneamente
DNA Microarrays: Applicazioni I DNA microarray consentono lo screening simultaneo di migliaia di geni: screening high- throughput* • Genotipizzazione genome-wide • Espressione genica tessuto-specifica • Analisi di mutazioni *Per high-throughput si intendono tutte quelle analisi scientifiche in grado di effettuare dei test su un numero molto grande di dati in un tempo ristretto grazie a macchinari e strumentazioni automatizzate.
Two strategies
used for
sequencing the
human genome
by Celera and
the Human
Genome Project
(HGP)Classi di geni divise per funzione di alcuni organismi
L’insieme delle molecole di RNA messaggero si definisce trascrittoma. La trascrittomica è quella branca delle scienze omiche che studia questo il trascrittoma, misurando l’espressione dei geni con indagini molecolari complicate che spaziano dalla tecnologia microarray al sequenziamento diretto dell’RNA Un tipico esempio di strumento per l'analisi del trascrittoma è il microarray, che permette di confrontare l'espressione di un intero genoma in diverse condizioni di crescita cellulare.
La trascrittomica usa metodiche hightroughput basate su DNA microarray Un microarray di DNA (comunemente conosciuto come chip a DNA, biochip o matrici ad alta densità) è un insieme di microscopiche sonde di DNA attaccate ad una superficie solida come vetro, plastica, o chip di silicio formanti un array (matrice). Tali array permettono di esaminare simultaneamente la presenza di moltissimi geni all'interno di un campione di DNA (che spesso può rappresentare anche tutto il genoma o il trascrittoma di un organismo).
l'insieme delle proteine di un organismo o di un sistema biologico, ovvero le proteine prodotte dal genoma, si definisce proteoma. La proteomica è quella branca delle scienze omiche che il proteoma, cioè mira ad identificare le proteine ed ad associarle con uno stato fisiologico in base all’alterazione del livello di espressione fra controllo e trattato. Permette di correlare il livello di proteine prodotte da una cellula o tessuto e l’inizio o la progressione di uno stato di stress. Le tecniche per l'analisi del trascrittoma sono essenzialmente la elettroforesi bidimensionale (2-DIGE), la spettrometria di massa o anche le hightroughput
150 kDa 2
1 3
110 kDa 67
96 kDa 6
84 kDa 4 5
7
75 kDa
10
8 9
12
67 kDa 13
68 11
14 15 16
50 kDa 17
19 21
18
23
22 25 20
24
40 kDa 26 27
28
69 37
29 31 33
34 35
32 36
30
70 42
39 43
40
30 kDa 38 41
44 45
49
52
47 51
46
20 kDa 48
50
64
63
54
56 58 62
53
55 61 66
14 kDa 59
57
60 65
18
pH 4.0 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 8.0 9.0I microarrays (4): clusterizzazione dei risultati tramite software specifici
L'insieme di tutti i metaboliti di un organismo biologico, che sono i prodotti finali della sua espressione genica, costituisce il metaboloma. L’analisi metabolomica consente di misurare i prodotti finali delle reazioni chimiche che avvengono nell’organismo - i metaboliti - e rilevare quindi con precisione il loro funzionamento (normale, scarso o eccessivo) e valutare quindi quali di esse si svolgano regolarmente e quali siano bloccate o malfunzionanti. La misurazione dei metaboliti è uno degli esami più accurati e precisi disponibili per il monitoraggio e la rilevazione delle cause specifiche (alimentari, comportamentali e metaboliche) di problemi di salute insolubili. Allo stato attuale l’”Analisi spettrometrica di massa ad alta risoluzione” e la combinazione “cromatografia liquida e spettrometria di massa” consentono di rilevare e misurare sostanze chimiche presenti in quantità infinitesimali.mensionale (2-DIGE), la spettrometria di massa o anche le hightroughput
Che cos’è la Metabolomica? In merito alle analisi che il dott. Tsoukalas prescrive ai suoi pazienti, si tratta delle analisi più avanzate che si possano effettuare in questo momento. Si chiamano Metabolomiche perché misurano i metaboliti, le sostanze che risultano dalle reazioni chimiche che avvengono nel nostro corpo. In accordo con la Scuola di Medicina dell’ Università di Harvard, la Metabolomica e’ il migliore metodo di analisi per accertare lo stato di salute di una persona (vedi: http://harvardmagazine.com/2011/05/fathoming-metabolism). Si tratta di un metodo che fino a pochi anni fa si usava solo per motivi di ricerca. Da ormai dieci anni si usa anche in ambito clinico. Non più tardi di cinque anni, fa il costo di un analisi simile spaziava tra i 20.000-30.000 USD, oggi fortunatamente queste analisi si possono eseguire con poche centinaia di euro. Per ora i laboratori che sono certificati a livello mondiale per effettuare queste analisi, sono molto pochi. Ne esistono cinque negli Stati Uniti e l’unico in Europa si trova in Grecia. Il laboratorio sito in Grecia è certificato sia dal CDC (Center of Disease Control USA) sia dall’ente Europeo per le Malattie Metaboliche ERNDIM. Il dott. Tsoukalas è uno tra i pochi medici a livello mondiale che hanno acquisito l’esperienza nell’applicare la metabolica in ambito clinico. E’ infatti, come già accennato, il Presidente dell’Istituto Europeo di Medicina Metabolomica (European Institute of Metabolomic Medicine) e sta educando da anni altri medici e scienziati nel campo della salute. Sull’ applicazione della Metabolomica ha istruito alla pratica clinica più di 2.500 persone fra medici, dietologi, scienziati della biologia molecolare e farmacisti negli ultimi 4 anni. Attraverso le analisi di Metabolomica si possono accertare degli squilibri biochimici che sono alla base della funzione del corpo. Per esempio, il colesterolo è una sostanza che si forma dalla combinazione di molecole di grasso (acidi grassi: omega3, omega 6, monoinsaturi, saturi). Invece di misurare semplicemente il colesterolo, che è il risultato delle reazioni chimiche che avvengono dalla combinazione degli acidi grassi, si possono misurano direttamente le molecole che lo compongono. In seguito a ciò, tramite somministrazione degli acidi grassi che mancano e tramite l’eliminazione dalla dieta di quelli che invece sono superflui, si può aiutare il corpo a raggiungere l a funzione normale (fisiologica). Questo riportato è solo un esempio dell’applicazione della disciplina Metabolomica. Attraverso questo approccio si va alla base di ogni malattia cronica e si ripristina l’equilibrio biochimico. La specializzazione del dott. Tsoukalas è proprio il trattamento di malattie e disturbi cronici.
Jostins L et al., Nature 2012
Identificati 71 nuovi geni di suscettibilità
per le IBD per un totale di 163Identificati più di 100 geni di suscettibilità all’obesità
27 loci associati con una o più malattie autoimmuni pediatriche
(Genetic Sharing)Li et al, Nat Commun 2015
Predittività di sviluppare la malattia
sulla base del rischio geneticoProteomics 2017
L’analisi proteomica consente di migliorare la diagnosi e le terapie delle
patologie umaneInt J Cancer 2017
L’analisi proteomica consente di individuare 47 hsp che possono
essere buoni indicatori di metastasi linfonodale nel CRCProteomics applied to pediatric medicine: opportunities and
challenges.
Faa et al., Expert Rev Proteomics 2016
Abstract
INTRODUCTION:
Care in pediatrics often refers to treatments directed to adults. However, childhood is a specific
life period, with molecular pathways connected to development and thereby it requires distinctive
considerations and special treatments under disease. Proteomics can help to elucidate the
molecular mechanisms underlying the human development and disease onset in pediatric age and
this review is devoted to underline the results recently obtained in the field.
AREAS COVERED:
The contribution of proteomics to the characterization of physiological modifications occurring
during human development is presented. The proteomic studies carried out to elucidate the
molecular mechanisms underlying different pediatric pathologies and to discover new markers for
early diagnosis and prognosis of disease, comprising genetic and systemic pathologies, sepsis
and pediatric oncology are thereafter reported. The investigations concerning milk composition in
human and farm mammals are also presented. Finally, the chances offered by the integration of
different -omic platforms are discussed. Expert commentary: The growing utilization of holistic
technologies such as proteomics, metabolomics and microbiomics will allow, in the near future, to
define at the molecular level the complexity of human development and related diseases, with
great benefit for future generations.
L’analisi proteomica consente di comprendere più a fondo la
patogenesi di malattie sistemiche e oncologiche in età pediatrica, di
scoprire nuovi marcatori per la diagnosi e la prognosi della malattiaL’analisi proteomica consente di individuare biomarcatori di danno
polmonare e correlare determinate alterazioni proteiche a specifici
processi di malattiaMetabolomics analysis of serum from subjects after occupational exposure to acrylamide
using UPLC-MS.
Wang et al Moll Cell Endocrinol 2017
Abstract
Since occupational exposure to acrylamide (ACR) may cause nerve damage, sensitive biomarkers
to evaluate the early effects of ACR on human health are needed. In the present study, we have
compared a group of individuals with occupational exposure to ACR (contact group, n = 65) with a
group of individuals with no exposure (non-contact group, n = 60). Serum metabolomics analysis of
the contact and non-contact groups was carried out using ultra performance liquid
chromatograph/time of flight mass spectrometry, combined with multivariate analysis, to identify
potential metabolites. Serum biochemical indexes of the contact and non-contact groups were also
determined using an automatic biochemistry analyzer. There was a clear separation between the
contact group and the non-contact group; receiver operator characteristic curve analysis suggested
that phytosphingosine, 4E,15Z-bilirubin IXa and tryptophan were the best metabolites to use as
biomarkers. Liver function was also found to be abnormal in the contact group. Important, ACR-
related, metabolic changes were seen in the contact group and new biomarkers for assessing the
toxicity of ACR on the central nervous system have been proposed. This study will provide a sound
basis for exploring the toxic mechanisms and metabolic pathways of ACR.
L’analisi dei metaboliti consente di stimare il danno dell’acrilammide in
lavoratori professionalmente espostiMurray et al, Pediatr Res 2016 Cambiamenti nel metabolismo cellulare sono associati con fallimento della crescita e insensibilità all’insulina in bambini prematuri
Metabolomic profiling of asthma and chronic obstructive
pulmonary disease: A pilot study differentiating diseases.
Adamko et al, J Allergy Clin Immunol 2015
BACKGROUND: Differentiating asthma from other causes of chronic airflow limitation, such as chronic
obstructive pulmonary disease (COPD), can be difficult in a typical outpatient setting. The inflammation
of asthma typically is different than that of COPD, and the degree of inflammation and cellular damage
varies with asthma severity. Metabolomics is the study of molecules created by cellular metabolic
pathways.
OBJECTIVES: We hypothesized that the metabolic activity of adults with asthma would differ from that
of adults with COPD. Furthermore, we hypothesized that nuclear magnetic resonance spectroscopy
(NMR) would measure such differences in urine samples.
METHODS: Clinical and urine-based NMR data were collected on adults meeting the criteria of asthma
and COPD before and after an exacerbation (n = 133 and 38, respectively) and from patients with
stable asthma or COPD (n = 54 and 23, respectively). Partial least-squares discriminant analysis was
performed on the NMR data to create models of separation (86 metabolites were measured per urine
sample). Some subjects' metabolomic data were withheld from modeling to be run blindly to determine
diagnostic accuracy.
RESULTS: Partial least-squares discriminant analysis of the urine NMR data found unique differences
in select metabolites between patients with asthma and those with COPD seen in the emergency
department and even in follow-up after exacerbation. By using these select metabolomic profiles, the
model could correctly diagnose blinded asthma and COPD with greater than 90% accuracy.
CONCLUSION: This is the first report showing that metabolomic analysis of human urine samples
could become a useful clinical tool to differentiate asthma from COPD.
L’analisi dei metaboliti urinari può essere utilizzata per discriminare tra
asma e COPDPediatric Pulmonology 2015
L’analisi dei metaboliti consente l’identificazione di nuovi marcatori di
peggioramento della fibrosi cisticaL’analisi dei metaboliti consente di caratterizzare il pattern
infiammatorio dei bambini con IBDIntegrating omics: the future of IBD?
Fiocchi C, Dig Dis 2014
The complexity of IBD is well recognized as are the putative four major components of its
pathogenesis, i.e. environment, genetic makeup, gut microbiota and mucosal immune response.
Each of these components is extremely complex on its own, and at present should be more
appropriately defined by the terms 'exposome', 'genome', 'microbiome' and 'immunome',
respectively, based on the 'ome' suffix that refers to a totality of some sort. None of these 'omes' is
apparently capable of causing IBD by itself; it is instead the intricate and reciprocal interaction
among them, through the so-called 'IBD interactome', that results in the emergence of IBD, or more
appropriately the 'IBD integrome'. To deal with and understand such overwhelming biological
complexity, new approaches and tools are needed, and these are represented by 'omics', defined as
the study of related sets of biological molecules in a comprehensive fashion, such as genomics,
transcriptomics, proteomics, metabolomics, and so on. Numerous bioinformatics-based tools are
available to explore and take advantage of the massive amount of information that can be generated
by the analysis of the various omes and their interactions, aiming at identifying the molecular
interactome underlying any particular status of health and disease. These novel approaches are fully
applicable to IBD and allow us to achieve the ultimate goal of developing and applying personalized
medicine and far more effective therapies to individual patients with Crohn's disease and ulcerative
colitis. For the practicing gastroenterologist, an omics-based delivery of healthcare may be
intimidating, but it must be accepted and implemented if he or she is to provide the best possible
care to IBD patients.
Questi nuovi approcci hanno come ultimo scopo quello di sviluppare
e applicare una medicina personalizzataInflammatory Bowel Disease Meets Systems Biology: A Multi-Omics
Challenge and Frontier.
Palmieri et al, OMICS 2016
The inflammatory bowel disease (IBD) is a systemic disease that is characterized by
the inflammation of the gastrointestinal tract. It includes ulcerative colitis and the
Crohn's disease. Presently, IBD is one of the most investigated common complex
human disorders, although its causes remain unclear. Multi-omics mechanisms
involving genomic, transcriptomic, proteomic, and epigenomic variations, not to
forget the miRNome, together with environmental contributions, result in an
impairment of the immune system in persons with IBD. Such interactions at multiple
levels of biology and in concert with the environment constitute the actual engine of
this complex disease, demanding a multifactorial and multi-omics perspective to
better understand the root causes of IBD. This expert analysis reviews and examines
the latest literature and underscores, from the perspective of systems biology, the
value of multi-omics technologies as opportunities to unravel the "IBD integrome."
We anticipate that multi-omics research will accelerate the new discoveries and
insights on IBD in the near future. It shall also pave the way for early diagnosis and
help clinicians and families with IBD to forecast and make informed decisions about
the prognosis and, possibly, personalized therapeutics in the future.
Le ricerche mutli-omiche consentiranno diagnosi più precoci e terapie
personalizzateCONCLUSIONI Le tecnologie -omiche hanno un potenziale di applicazione molto vasto che va dall’aumento della comprensione di svariati processi fisiologici e fisiopatologici, al loro impiego nello screening , nella diagnosi e nella valutazione della storia naturale, della risposta alla terapia e/o della prognosi di diverse patologie sia del bambino così come dell’adulto
Le scienze omiche permetteranno in futuro di comprendere e prevedere perché la stessa malattia si presenta in individui differenti con diversa sintomatologia clinica e severità, perché risponde diversamente al trattamento terapeutico. Il futuro è nella ‘medicina di precisione’ o ‘medicina personalizzata’, che permetterà di personalizzare le terapie, i protocolli diagnostici e la prognosi del malato.
Con il termine di Medicina Personalizzata o medicina di precisione s’intende oggi il modello di medicina caratterizzato dalla possibilità di identificare la suscettibilità di una singola persona alle malattie comuni, di misurarne il livello di rischio, di personalizzare la terapia in base alla costituzione genetica del paziente e di offrire nuove opzioni terapeutiche basate sulla interazione dei farmaci con nuovi bersagli molecolari al fine di assicurare il miglior esito possibile in termini di salute. In ambito oncologico, i test vengono spesso utilizzati a due livelli: per stabilire terapie ad hoc e per valutare il rischio individuale di ammalarsi. Oggi si stanno sviluppando strategie di medicina personalizzata ormai in tutti i campi, nessuno escluso, dalle malattie cosiddette complesse (cardiovascolari, neurodegenerative, immunologhe, tumori), alle diete. La medicina personalizzata sta rivoluzionando la medicina pratica e nel giro di 10 anni, ognuno avrà il genoma sequenziato come parte della propria cartella clinica e quindi il farmaco appropriato.
Puoi anche leggere
