Oblast použití technologií OMICS v molekulární medicíně

Přístupy založené na OMICS se v poslední době výrazně zdokonalily díky přidání nových konceptů, jako je exposomika/exposomika, studium expozice prostředí, s cílem odhalit roli prostředí v lidských onemocněních. Dále se nově objevilo přidání aduktomiky, studia sloučenin, které se vážou na DNA a způsobují její poškození a mutace, a volatilomiky, studia těkavých organických sloučenin, k metabolomické/lipidomické analýze pro komplexní výzkum metabolomu . Expozom je celková expozice člověka životnímu stylu a životnímu prostředí, která zatím není dobře prozkoumána. Výzkumníci z NIH, Dr. Chao Jiang a jeho kolegové, vyvinuli metodu, jak zachytit a zmapovat „expozom“ jednotlivce – podle konceptu „expozice lidského expozomu – každý váš nádech, expozom říká, kde jste byli a kdy“. Dále navrhli přenosné, baterií napájené zařízení sestávající ze senzorů, sběrné nádoby s filtrem a čerpadla, které simuluje lidské dýchání, aby bylo možné sledovat a kvantifikovat osobní expozici prostředí. Senzory mohou detekovat různé částice, jako jsou biologické látky (biotika), chemické látky (abiotika), tabákový kouř a automobilové výpary. Detekovaly více než 2 500 druhů, včetně bakterií, hub, rostlin, metazoí a více než 200 virů. Jeden z nich byl pozoruhodně nazván „brochosom“, který v jistém smyslu vypadá jako virové částice, ale ve skutečnosti se jedná o jakousi hydrofobní směs bílkovin a lipidů, kterou si hmyz vytváří jako vodotěsný mechanismus na svém těle.

Systémová biologie, kterou lze definovat jako integraci systémů založených na omice, je přístupem vytvářejícím hypotézy, zatímco klasická biologie se řídí hypotézami . Bioinformatika je aplikace výpočetních nástrojů a analýz používaných k zachycení, ukládání a interpretaci biologických dat. Zaměřuje se na rozsáhlá data/informace získané z komplexního nebo globálního hodnocení souboru molekul, bioinformatické nástroje se pak používají k analýze vícerozměrného množství dat s cílem odhalit biosignatury metabotypu, proteotypu a panelu DNA-RNA.

Analýza technologií založených na multiomice prostřednictvím systémové biologie, bioinformatiky a výpočetní síly nám umožňuje pochopit rozmanitost nemocí, molekulární heterogenitu komplexních patologií, mechanismus podílející se na progresi onemocnění a rezistenci na léky. Následně došlo ke zlepšení ve vývoji molekulárně založeného screeningu, systémů včasné detekce a monitorování, jakož i personalizovaných léčebných strategií . Integrační identifikace a charakterizace biomarkerových cílů na základě omiky a jejich klinický překlad jsou nezbytné pro vývoj komplexního profilování, stratifikace rizika, budoucích časných intervenčních a terapeutických strategií zaměřených na buňky. Poprvé zavedený, před deseti lety, „multi-omics“ přístup k onemocnění pomocí integrativní analýzy „jednotlivých omics platforem“ byly paradigmatickou změnou připisovanou personalizované medicíně . Tímto způsobem Chakraborty a jeho kolegové úspěšně zdokumentovali „onko-multi-omický“ přístup ve výzkumu rakoviny . Systémově biologicky integrovaný vysoce výkonný multi-omický přístup byl věnován pochopení kompletní molekulární biosignatury zdraví a nemoci.

Přesné stanovení a validace biomarkerů souvisejících s nemocí vyžaduje vývoj biorepozitárních systémů s rozsáhlou sbírkou a uchováváním biospecifických vzorků pacientů, jako jsou tkáně, krev a další tělní tekutiny, a dobře anotované klinické a patologické údaje . Tímto způsobem biorepozitární systémy umožňují integraci základního, translačního a klinického výzkumu, což povede k objevení překážek relevantních biomarkerů a nových personalizovaných diagnostických/terapeutických strategií na spolehlivých velkých vzorcích spojených s konkrétními onemocněními . Z jiného hlediska nedávný úvodník časopisu Nature (2019) kriticky zdůrazňuje zaměření na studium zdravých jedinců biobank spíše než lidí s nemocemi, aby bylo možné lépe pochopit přesnou definici zdraví se všemi jeho projevy . Projekty jako „100K Wellness Project“ a „The All of Us Research Program“ vytvářejí data sekvenování nové generace prostřednictvím vzorků od zdravých jedinců za účelem získání molekulárních měření, měření životního stylu a životního prostředí (http://allofus.nih.gov/), zejména pro budoucí studie objevování léčiv.

Genomická rozmanitost a molekulární heterogenita komplexních onemocnění zastírají objevování teranostických, prognostických a prediktivních biomarkerů, jakož i jejich převedení do personalizované medicíny na úrovni jedné buňky. Z tohoto hlediska slibné jednobuněčné studie vytvořily další nově vznikající koncept v oblasti molekulární medicíny. Bylo navrženo, že analýza na úrovni jedné buňky má zásadní význam pro lepší a přesnější obohacení biomarkerů souvisejících s komplexní heterogenní povahou onemocnění . Analýza založená na omice na úrovni jedné buňky zahrnuje přístupy epi/genomiky, epi/transkriptomiky, epi/proteomiky a metabolomiky/lipidomiky. Tyto technologie nám usnadnily pochopení variací, interakcí, biologických funkcí a heterogenity onemocnění na úrovni jedné buňky, což otevírá cestu k personalizované medicíně založené na inteligentním systému zdravotní péče . V poslední době se jako jedna z nejžhavějších oblastí výzkumu objevila molekulární charakterizace cirkulujících biomarkerů složených z cirkulujících nádorových buněk (CTC), volné buněčné DNA (cfDNA) a/nebo exozomů jako tekutých biopsií k posouzení managementu a vývoje onemocnění v reálném čase . Exozomy byly popsány jako mikrovezikuly (50-150 nm) uvolňované do extracelulární oblasti různými buňkami. Exosomy obsahují intaktní oligonukleotidy, proteiny a metabolity a byly identifikovány v široké škále biokapalin včetně séra, moči, plazmy, mateřského mléka, slin, pleurálních výpotků, bronchoalveolární laváže, očních vzorků, slz, nosní laváže, spermatu, synoviální tekutiny, plodové vody a těhotenského séra . S rozvojem vysoce výkonných omických technologií se tekutá biopsie usadila v centru neinvazivních nebo minimálně invazivních aplikací snadno dostupných biofluid k detekci CTC spojených s onemocněním pro diagnostické, monitorovací a terapeutické přístupy. Izolace, detekce a molekulární charakterizace CTCs byla provedena u různých onemocnění převážně u nádorových onemocnění. Vzhledem k vysoké heterogenitě a rezistenci na léčbu pozorované v biologii nádorů umožňuje charakterizace jednobuněčných CTC klinické profilování a strategie cílené léčby a monitorování.

Aplikace v molekulární medicíně nejen zlepšily základní pochopení mechanismu onemocnění, ale také přispěly k pochopení mechanismu účinku léčiv, identifikaci teranostických cílů, a tedy ke změně paradigmatu v objevování léčiv . Molekulární teranostiku lze definovat jako integraci diagnostiky a léčby onemocnění pomocí stejného molekulárního cíle. V posledních dvou desetiletích byla úspěšně vyvinuta slibná léčiva a vakcíny na bázi oligonukleotidů (DNA nebo RNA), jako je genová terapie, DNA vakcíny a RNA léčiva s použitím protilátek a aptamérů. Pokud jde o DNA, používají se virové nebo bakteriální vektory a pro účinný přenos byly použity polymerní materiály, jako je kyselina polymléčná a glykolová (PLGA), chitosan a polyethylenimin (PEI). Aptamery nebo protilátky mohou být konjugovány s teranostickými biomarkery a nanomateriály pro specifické zacílení . Aplikace na bázi aptamerů zahrnují zobrazování, cílené podávání léčiv a léčbu, jako je cílená fototerapie, genová terapie a chemoterapie . Omezení v netoxickém specifickém cílení a doručování podnítilo výzkumníky k používání nosičů léčiv, jako jsou liposomy a nanočástice, pro enkapsulaci oligonukleotidových terapeutik . Studie na některých typech nádorů včetně plic, slinivky břišní a prsu prokázaly úspěšné výsledky s enkapsulovanými antisense oligonukleotidy . RNA oligonukleotidy využívající technologii antisense genového útlumu přinesly slibné výsledky při inhibici exprese genů mRNA souvisejících s onemocněním. RNA terapeutika včetně antisense RNA, malé interferující RNA (siRNA) a anti-miRNA (anti-miR) jsou slibná pro léčbu řady onemocnění včetně chronických komplexních onemocnění. Jejich vliv byl navíc hodnocen v různých fázích vývoje od preklinických až po fázi III klinických studií . Mezi hlavní výzvy zabývající se účinným doručováním patří biokompatibilita, ochrana před nukleázami, umístění distribuce a perzistence. Peter a jeho kolegové identifikovali sebevražedné/zabijácké molekuly RNA (siRNA, shRNA, miRNA, komplex siRNA+miRNA) u mnoha typů rakoviny. Kromě toho prokázali, že specifické toxické RNAi-aktivní sekvence přítomné v genomu mohou zabíjet rakovinné buňky . Rozowsky a kolegové vytvořili komplexní analytickou platformu pro profilování extracelulární RNA nazvanou „exceRpt“ .

Murillo a kolegové vytvořili atlas analýzy exRNA a zkoumali, jak RNA přenáší informace prostřednictvím komunikace mezi buňkami, známé jako extracelulární RNA nebo exRNA . Kromě toho identifikovali složitost kroků transportu molekul exRNA, typy, nosiče mezi buňkami, cílové buňky a funkce a zjistili, že dokonce i typ nosiče ovlivňuje způsob odesílání a přijímání zpráv exRNA, což může naznačovat potenciální nové biomarkery a terapeutické cíle související s onemocněním. K dnešnímu dni byly potenciální biomarkery pocházející z exRNA identifikovány ve 13 biologických tekutinách, jako je plazma, sliny a moč, ve více než 50 000 vzorcích od více než 2 000 dárců pro téměř 30 onemocnění, včetně kardiovaskulárních onemocnění, onemocnění mozku a centrálního nervového systému, těhotenských komplikací, glaukomu, diabetu, autoimunitních onemocnění a několika typů rakoviny. Profily exRNA by tak mohly být individualizovaným zdrojem a pro personalizovanou léčbu různých onemocnění.

Příkladem současných a budoucích aplikací v molekulární medicíně mohou být také čipy DNA/RNA, peptidové/protilátkové matrice, imunoanalýzy na bázi aptamerů/antikorů a/nebo senzorové systémy pro screening, diagnostiku a monitorování onemocnění. Byly vyvinuty molekulární nástroje/zařízení, jako jsou laboratoře na čipech v kombinaci se senzory využívajícími techniky mikročipů, které jsou schopny provádět stratifikaci pacientů na základě specifikovaných klinických a molekulárních znaků . Tyto nástroje jsou hodnoceny tak, aby zachytily velmi nízké koncentrace biochemických látek v rané fázi onemocnění a vedly k účinné/citlivé léčbě a vymýtily a/nebo omezily nadměrnou/nedostatečnou léčbu a vedlejší účinky .

.