Терминология
Метаболомика
Что означают термины "метаболомика" и "метаболом"?
"Метаболомика" - комплексный анализ метаболитов, входящих в определенный биологический комплекс, отвечающий за гомеостаз в определенное время (метаболом). Под "метаболомикой" также понимают дисциплину, посвященную глобальному изучению малых молекул (то есть метаболитов) в клетках, тканях и биологических жидкостях. Изменения концентрации определенных групп метаболитов обычно чувствительно к генетической изменчивости, диете, возрасту или микробиоте кишечника. "Метаболом" очень динамичен и предоставляет ценную информацию о текущих процессах (например, биохимических) в организме человека.
Какую роль играет метаболомика в диагностике различных болезней?
В медицине "метаболомика" используется для диагностики различных болезней, выделения маркеров патогенеза, течения или тяжести заболевания выявления новых мишеней терапии, с целью разработки эффективных стратегий лечения (Roberts, L.., et.al., 2012). В "метаболомике" преимущественно анализируются образцы плазмы и сыворотки из-за простоты получения образцов и информации, которую они предоставляют о метаболическом статусе. Как правило, исследования сосредоточены на небольших группах метаболитов, таких как аминокислоты, белки, липиды или углеводы.
Метаболиты и фенотип
Следует ли считать метаболиты частью фенотипа или его отражением?
Метаболиты можно считать частью фенотипа, то ест,. совокупности условно объединяемых и внешних и внутренних признаков , включая симптомы расстройства (при его наличии ) и изменения поведения, характерные для определенного пациента и приобретённые в процессе индивидуального развития организма (онтогенеза) под влиянием и при участии ряда факторов внешней среды.
Геном - транскриптом- протеом - метаболом
Какое место занимают метаболиты в молекулярных путях?
Поскольку метаболиты являются "нисходящими эффекторами" в молекулярных путях (геном - транскриптом - протеом - метаболом), они отражают изменения, произошедшие на предыдущих этапах этих путей.
Методы исследования метаболитов
Какие методы исследования можно считать основными для изучения метаболома?
Наиболее важными аналитическими методами для изучения метаболома являются ядерный магнитный резонанс и масс-спектрометрия. Первый метод обеспечивает высокоточные и воспроизводимые результаты за короткое время, второй - более высокую чувствительность и более широкий охват метаболомики, являясь мощной платформой для метаболомных анализов. Масс-спектроскопия, по-видимому, - оптимальная техника для персонализированных и целенаправленных подходов, и в последние годы стала наиболее часто используемой техникой в метаболомике (Emwas, A. H. M. (2015).
Ядерно-магнитно -резонансная спектроскопия
Какой основной принцип ядерно-магнитно-резонансной спектроскопии и где она применяется?
Ядерно-магнитно резонансная спектроскопия - аналитический метод, в котором сильное магнитное поле применяется для возбуждения ядер молекулярных атомов. После этого атомы возвращаются в свое низкое энергетическое состояние, испуская радиочастоту, которая измеряется детектором. Ядерно-магнитный резонансная спектроскопия используется для количественного измерения метаболитов в сложных биологических матрицах (Barhoum, A., & Makhlouf, A., 2018).
Масс - спектрометрия
Что такое масс-спектроскопия и с какими методами высокого разрешения она сочетается?
Масс-спектроскопия - аналитический метод, основанный на образовании ионных видов и их последующем разделении в соответствии с отношениями массы к заряду при применении электрических или магнитных полей. Метаболомика на основе масс-спектроскопии обычно сочетается с методами разделения высокого разрешения: газовой хроматографии, жидкостная хроматография или капиллярным электрофорезом. Его также можно выполнять напрямую без разделения метаболитов путем прямой вливания или анализа потока инъекций.
Аналитические платформы
Какие платформы можно использовать анализа метаболитов?
Исследователи из Финляндии предлагают использовать две аналитические платформы для метаболомики. Глобальная липидомная платформа, основана на высокоэффективной жидкостной хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией, охватывает молекулярные липиды, такие как фосфолипиды и нейтральные липиды. Другая платформа предназначена для малых полярных метаболитов на основе двумерной газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией time-of-flight ("времени пролета") (GC × GC-TOFMS).
Классификация исследований метаболома
В чем преимущества и недостатки нецелевой метаболомики?
В зависимости от сферы применения метаболомные исследования можно разделить на не целевые и целевые, причем, иногда эти подходы пересекаются. Нецелевая метаболомика фокусируется на глобальном обнаружении и качественном анализе всех метаболитов, присутствующих в одном образце. Эти исследования обычно проводятся на этапах обнаружения, где целью является сбор всей возможной информации для выявления соединений, которые могут представлять интерес при том или ином изменении в организме. Подобные исследования представляют собой сложный рабочий процесс, который включает аналитические процедуры, а также расширенный химический анализ для расшифровки большого объема полученной информации. Из-за выраженной химической изменчивости и гетерогенности между соединениями, которые могут быть проанализированы и для широкого охвата метаболома используются платформы разных стратегии. Исследователи обычно сочетают разные стратегии для анализа всех возможных соединений в одном образце, поскольку каждый метод лучше всего подходит для подмножества метаболитов со схожими физико-химическими свойствами. Основная проблема этого первого подхода заключается в обработке огромного объема всей информации, извлеченной из каждого образца, а основным ограничивающим шагом является идентификация и аннотация найденных соединений, а также трансляция, полученных результатов в клинику (Fiehn, O., 2001). Нецелевая метаболомика представляет собой сравнительный подход, обычно между пациентами и контрольной группой.
В каких случаях для исследования метаболизма используются целенаправленные исследования?
Целевая метаболомика направлена на охват конкретного набора химически определенных метаболитов. Это классический подход метаболомики, в котором интересующие исследователя соединения предварительно выбираются, а затем определяются стратегии для анализа. Главное преимущество целевой метаболомики заключается в том, что она может быть количественной (определяются абсолютные концентрации) или полуколичественной (сравнительное измерение распространенности/интенсивности метаболитов между группами) (Kapoore, R. V., & Vaidyanathan, S., 2016). Определяющим шагом в целевой метаболомике является оптимизация аналитических условий для повышения чувствительности и селективности метода для измерения подмножества интересующих соединений. Этот подход обычно используется при валидации биомаркеров после первого этапа обнаружения, что подразумевает комбинацию обеих стратегий метаболомики.
Значимые метаболиты нервной анорексии
Какие изменения метаболизма выявляются в плазме крови больных нервной анорексии?
Среди метаболических изменений при нервной анорексии обычно обнаруживается небольшое повышение некоторых аминокислот в плазме, повышенный уровень холестерина, дисбаланс электролитов (уменьшение содержания натрия и калия) и выраженные эндокринные нарушения (Moyano, D., et.al., 1998).
Аминокислоты
Какая форма и каких аминокислот часто изменяется при психических расстройствах?
D-форма некоторых аминокислот, в основном D-серина и D-аспартата, изменяется при многих психических расстройствах, включая депрессию и расстройства пищевого поведения (Fuchs, S. A., et.al., 2005). Лактат - гидроксикислота, также изменяется при депрессии и расстройствах тревожного спектра (Dogan, A. E., et.al., 2018). Некоторые из этих соединений действуют на рецепторы в клетках эндотелия кишечника, а другие достигают системного кровообращения и могут проникать в центральную нервную систему, где опосредуют различные реакции.
Мониторинг каких аминокислот необходим при лечении психических расстройств?
Хиральные метаболиты могут иметь различные стереоизомеры D и L с очень разной биологической активностью. Среди них аминокислоты и гидроксикислоты принимают активное участие в нейро-иммуно-эндокринной регуляции. Источниками D-аминокислот и D-гидроксикислот являются пища, эндогенные ферментативные процессы и микробиом.
Как меняется уровень аргинина в крови при расстройствах пищевого поведения?
При расстройствах пищевого поведения обнаруживалось снижение уровня глутаминовой кислоты ( ср. значение - 86,3 нкомоль/л.) , а также значительно сниженное содержание аргинина ( ср. значение - 5,6 нкомль/л.).
Содержание каких аминокислот повышено в моче больных нервной анорексией?
При нервной анорексии первоначально было выявлено увеличение в моче содержания некоторых аминокислот, таких как глутамин, глицин, гистидин, лейцин, метионин, орнитин, фенилаланин, серин и триптофан (Föcker, M.,et.al., 2019). Позже сообщалось лишь о значительном повышении глутамина, глицина, гистидина, серина и триптофана. Однако, другие исследователи обнаружили значительно более низкие значения аланина, аспарагина, бетаина, гистидина, аллоизолейцина, изолейцина, лейцина, метионина, пролина, таурина и тирозина. Они также описали тенденции к снижению и некоторых других аминокислот, таких как аргинин, аспартат, фенилаланин, серин, триптофан, валин и треонин, а также упомянули тенденции к повышению уровней глутамата, глутамина, глицина и лизина, хотя они не были статистически значимыми. Уровни цистеина не оценивались (Miyata, N., et.al., 2021). Как мы видим, противоположная точка зрения была здесь высказана в отношении гистидина и триптофана, а , если сравнивать с более ранними исследованиями, то и гистидина, метионина и лейцина. Исследователи уровней метаболизма углерода в плазме при нервной анорексии сообщили о повышенных уровнях бетаина и отсутствии изменений в метионине у пациентов с острым течением по сравнению с контрольной группой и выздоровевшими женщинами (Burdo, J.,et.al., 2020). Если повести краткий итог результатов этих исследований, то можно сказать, что при нервной анорексии в моче повышен уровень глутамина и глицина.
Чем можно объяснить выраженные изменения содержания аминокислот мочи в процессе восстановления веса, чем во время предыдущего голодания?
Удивительно, но те же авторы описали более выраженные метаболические изменения у пациентов, восстановивших вес, чем в острой фазе по сравнению с контрольной группой. Это означает, что либо пациенты в острой фазе адаптируются к хроническому голоданию, либо быстрый набор веса оказывает огромное влияние на метаболизм.
Микроэлементы и витамины при нервной анорексии
Какие изменения микроэлементов и витаминов отмечаются при нервной анорексии?
Нервная анорексия также приводит к дефициту микроэлементов, включая снижение уровня цинка, меди, витамина С, рибофлавина и витамина B6 (Winston, A. P., 2012).
Осложнение нервной анорексии опасные для жизни
Какие наиболее опасные осложнения нервной анорексии?
Недостаток питания может привести к серьезным осложнениям, включая проблемы с сердцем (одним из первых признаков этого является брадикардия), почками ( нарушения баланса электролитов) , что является, наряду с суицидом основными причинами смерти при этом заболевании.
Какие гормональные изменения наиболее типичны для нервной анорексии?
У пациентов с нервной анорексией наблюдается более низкий уровень трийодтиронина (Т3) и тироксина (Т4) то есть, изменения оси "гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа" , повышенные уровни кортизола в сыворотке и моче, что предполагает интенсивную стимуляцию оси "гипоталамус-гипофиз-надпочечники". Кроме того, у пациентов также нарушены механизмы регуляции аппетита, характеризующиеся повышенным уровнем панкреатического полипептида (PYY) и грелина и пониженной концентрацией лептина (Argente, J.,et.al., 1997).
Микробиомика нервной анорексии
Почему исследование микробиоты кишечника важно при лечении нервной анорексии?
У больных нервной анорексией наблюдаются серьезные метаболические нарушения в результате расстройств пищевого поведения. Открытия в области изменения микробного состава кишечника при расстройствах пищевого поведения и ограничительных диет привели к исследованию микрофлоры при нервной анорексии. Также известно значение оси "кишечник - мозг" ( сходство микробиома кишечника и тканей мозга) в механизмах развития этого расстройства. Так, было показано, что несколько фекальных метаболитов участвуют в модуляции настроения, обучении и механизмах памяти.
Какую роль играет микробиота в патогенезе нервной анорексии?
Коротко-цепочечные жирные кислоты, липополисахариды из грамотрицательных бактерий и трансмиттеры нервной системы являются метаболитами микрофроры, причем все они в организме человека реализуют аутокринные или паракринные функции (Seitz, J., D, et.al., 2020).
Какую роль играет дисбактериоз в развитии нервной анорексии?
В литературе можно встретить дискуссию о том являются ли дисбактериоз и измененные метаболиты следствием недоедания или же они участвуют в возникновении и прогрессировании нервной анорексии.
Для нервной анорексии характерны: гипераминоацидемия плазмы, гиперхолестеринемия, гиперкортизолемия, повышение панкреатического полипептида и грелина; дефицит цинка, меди и витаминов (С, В2, В6), а также гипонатриемия, гипокалиемии, признаки гипотиреоза и снижение уровня лептина
Наиболее опасными осложнениями нервной анорексии являются остановка сердца, недостаточность почек и суицид
Литература
Argente, J., Barrios, V., Chowen, J. A., Sinha, M. K., & Considine, R. V. (1997). Leptin plasma levels in healthy Spanish children and adolescents, children with obesity, and adolescents with anorexia nervosa and bulimia nervosa. The Journal of pediatrics, 131(6), 833-838.
Barhoum, A., & Makhlouf, A. S. H. (2018). Emerging Applications of Nanoparticles and Architecture Nanostructures (pp. 255-278). Amsterdam, The Netherlands:: Elsevier.
Burdo, J., Booij, L., Kahan, E., Thaler, L., Israël, M., Agellon, L. B., ... & Steiger, H. (2020). Plasma levels of o ne‐carbon metabolism nutrients in women with anorexia nervosa. International Journal of Eating Disorders, 53(9), 1534-1538.
Dogan, A. E., Yuksel, C., Du, F., Chouinard, V. A., & Öngür, D. (2018). Brain lactate and pH in schizophrenia and bipolar disorder: a systematic review of findings from magnetic resonance studies. Neuropsychopharmacology, 43(8), 1681-1690.
Emwas, A. H. M. (2015). The strengths and weaknesses of NMR spectroscopy and mass spectrometry with particular focus on metabolomics research. Metabonomics: Methods and protocols, 161-193.
Fiehn, O. (2001). Combining genomics, metabolome analysis, and biochemical modelling to understand metabolic networks. Comparative and functional genomics, 2(3), 155-168.
Föcker, M., Timmesfeld, N., Scherag, S., Knoll, N., Singmann, P., Wang-Sattler, R., ... & Hebebrand, J. (2012). Comparison of metabolic profiles of acutely ill and short-term weight recovered patients with anorexia nervosa reveals alterations of 33 out of 163 metabolites. Journal of psychiatric research, 46(12), 1600-1609.
Fuchs, S. A., Berger, R., Klomp, L. W., & De Koning, T. J. (2005). D-amino acids in the central nervous system in health and disease. Molecular genetics and metabolism, 85(3), 168-180.
Kapoore, R. V., & Vaidyanathan, S. (2016). Towards quantitative mass spectrometry-based metabolomics in microbial and mammalian systems. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 374(2079), 20150363.
Miyata, N., Hata, T., Takakura, S., Yoshihara, K., Morita, C., Mikami, K., ... & Sudo, N. (2021). Metabolomics profile of Japanese female patients with restricting-type anorexia nervosa. Physiology & Behavior, 228, 113204.
Moyano, D., Vilaseca, M. A., Artuch, R., & Lambruschini, N. (1998). Plasma amino acids in anorexia nervosa. European journal of clinical nutrition, 52(9), 684-689.
Roberts, L. D., Souza, A. L., Gerszten, R. E., & Clish, C. B. (2012). Targeted metabolomics. Current protocols in molecular biology, 98(1), 30-2.
Seitz, J., Dahmen, B., Keller, L., & Herpertz-Dahlmann, B. (2020). Gut feelings: How microbiota might impact the development and course of anorexia nervosa. Nutrients, 12(11), 3295.
Winston, A. P. (2012). The clinical biochemistry of anorexia nervosa. Annals of clinical biochemistry, 49(2), 132-143.
Добавить комментарий