Anvendelsesområde for OMICS teknologi i molekylær medicin

Omics-baserede tilgange er blevet væsentligt forbedret for nylig med tilføjelsen af nye koncepter såsom eksposom/exposomics, studiet af miljøeksponering, for at afdække miljøets rolle i menneskelige sygdomme. Desuden er der for nylig blevet tilføjet adduktomik, undersøgelse af forbindelser, der binder DNA og forårsager skader og mutationer, og volatilomik, undersøgelse af flygtige organiske forbindelser, til metabolomik/lipidomik-analysen med henblik på omfattende forskning i metabolomet. Eksposomet er en persons samlede livsstil og miljømæssige eksponeringer, som endnu ikke er velforstået. Forskere fra NIH, Dr. Chao Jiang og hans kolleger, har udviklet en metode til at registrere og kortlægge et individs “eksposom” – under begrebet “eksponering af det menneskelige eksposom – hvert åndedrag, du tager, fortæller eksposomet, hvor du har været og hvornår”. Desuden har de designet en bærbar, batteridrevet enhed, der består af sensorer, en opsamlingsbeholder med filter og en pumpe, der simulerer menneskelig vejrtrækning, for at kunne spore og kvantificere personlig miljøeksponering. Sensorerne kan registrere forskellige partikler som f.eks. biologiske stoffer (biotika), kemikalier (abiotika), tobaksrøg og bilrøg. De har påvist mere end 2 500 arter, herunder bakterier, svampe, planter, metazoer og mere end 200 vira. En af dem blev bemærkelsesværdigt nok kaldt “brochosome”, som på en måde ligner viruspartikler, men det er faktisk en slags hydrofob protein/lipid-blanding, som insekter laver som en vandtæt mekanisme på deres krop.

Systembiologi, kan defineres som integrationen af omics-baserede systemer, er en hypotesegenererende tilgang, mens klassisk biologi er hypotesedrevet . Bioinformatik er anvendelsen af beregningsværktøjer og analyser, der anvendes til at registrere, lagre og fortolke biologiske data. Med fokus på data/information i stor skala, der er opnået fra en omfattende eller global vurdering af et sæt molekyler, anvendes bioinformatikværktøjer derefter til at analysere den multidimensionelle mængde data for at afsløre metabotype, proteotype og DNA-RNA panel biosignaturer.

Analyse af multi-omics-baserede teknologier gennem systembiologi, bioinformatik og beregningskraft giver os mulighed for at forstå mangfoldighed af sygdomme, molekylær heterogenitet af komplekse patologier, mekanisme involveret i sygdomsudvikling og lægemiddelresistens. Efterfølgende er der sket forbedringer i udviklingen af molekylærbaseret screening, tidlig påvisning og overvågningssystemer samt personlige behandlingsstrategier . Omics-baseret integrativ identifikation og karakterisering af biomarkørmål og deres kliniske oversættelser er afgørende for at udvikle omfattende profilering, risikostratificering og fremtidige cellemålrettede tidlige interventions- og terapeutiske strategier. Den første “multi-omics”-tilgang til sygdom ved integrativ analyse af “single omics-platforme”, som blev etableret for ti år siden, har været et paradigmeskift, der er blevet tilskrevet personlig medicin . På denne måde dokumenterede Chakraborty og kolleger med succes “onco-multi-omics”-tilgangen inden for kræftforskning . Systembiologisk integreret high-throughput multi-omics tilgang er blevet dedikeret til at forstå den komplette molekylære biosignatur af sundhed og sygdom.

En nøjagtig bestemmelse og validering af sygdomsrelaterede biomarkører kræver udvikling af biorepositoriesystemer med en stor samling og opbevaring af patientbiospecimens såsom væv, blod og andre kropsvæsker samt velannoterede kliniske og patologiske data . På denne måde muliggør biorepositoriesystemer integration af grundforskning, translationel og klinisk forskning for at føre til opdagelse af hindret relevante biomarkører og nye personlige diagnostiske/terapeutiske strategier på pålidelige store prøveudtagninger i forbindelse med specifikke sygdomme . I et andet aspekt fremhæver en nylig Nature editorial (2019) kritisk at fokusere på at studere sunde individer biobanker snarere end mennesker med sygdomme for bedre at forstå den nøjagtige definition af sundhed med alle dens manifestationer . Projekter som “100K Wellness Project” og “The All of Us Research Program” har produceret næste generations sekventeringsdata gennem prøver fra sunde individer for at opnå molekylære, livsstils og miljømæssige målinger (http://allofus.nih.gov/), især til fremtidige lægemiddelforskningsundersøgelser.

Genomisk diversitet og molekylær heterogenitet af komplekse sygdomme formørker opdagelsen af teranostiske, prognostiske og prædiktive biomarkører samt deres oversættelse til personliggjort medicin på enkeltcelleniveau. I dette aspekt udgjorde lovende enkeltcelleundersøgelser et andet nyt koncept inden for molekylær medicin. Analyse på enkeltcelleniveau er blevet foreslået som værende afgørende for en bedre og præcis berigelse af biomarkører i forbindelse med komplekse heterogene sygdomme . Omics-baserede analyser på enkeltcelleniveau omfatter epi/genomik, epi/transkriptomik, epi/proteomik og metabolomik/lipidomik. Disse teknologier har gjort det lettere for os at forstå variationer, interaktioner, biologiske funktioner og sygdomsheterogenitet på enkeltcelleniveau, hvilket baner vejen for et individualiseret medicinbaseret intelligent sundhedssystem . På det seneste er et af de hotteste forskningsområder opstået som molekylær karakterisering af cirkulerende biomarkører bestående af cirkulerende tumorceller (CTC’er), cellefrit DNA (cfDNA) og/eller exosomer som væskebiopsier med henblik på at vurdere sygdomsforvaltning og -udvikling i realtid . Exosomer er blevet beskrevet som mikrovesikler (50-150 nm), der frigives i det ekstracellulære område af en række forskellige celler. Exosomer indeholder intakte oligonukleotider, protein og metabolitter og er blevet identificeret i en lang række biofluider, herunder serum, urin, plasma, modermælk, spyt, pleuraeffusioner, bronchoalveolær lavagevæske, okulære prøver, tårer, næselavagevæske, sæd, synovialvæske, fostervand og graviditetsassocieret serum . Med udviklingen af omics-teknologier med højt gennemløb har flydende biopsi sat sig i centrum for ikke-invasive eller minimalt invasive anvendelser af let tilgængelige biofluider til påvisning af sygdomsassocierede CTC’er med henblik på diagnostik, overvågning og terapeutiske tilgange. Isolering, påvisning og molekylær karakterisering af CTC’er er blevet udført i forbindelse med en række forskellige sygdomme, hovedsagelig kræftsygdomme. På grund af den store heterogenitet og resistens over for behandling, der er observeret i tumorbiologien, giver karakterisering af enkeltcellede CTC mulighed for klinisk profilering og målrettede behandlingsstrategier og overvågning.

Molekylærmedicinske anvendelser forbedrede ikke kun den grundlæggende forståelse af sygdomsmekanismen, men bidrog også til forståelsen af lægemiddelvirkningsmekanismen, identifikation af teranostiske mål og dermed et paradigmeskift inden for lægemiddelopdagelse . Molekylær teranostik kan defineres som integration af sygdomsdiagnose og -behandling med det samme molekylære mål. Der er i de sidste to årtier med succes blevet udviklet lovende oligonukleotidbaserede (DNA eller RNA) terapeutika og vacciner som f.eks. genterapi, DNA-vacciner og RNA-lægemidler ved hjælp af antistoffer og aptamere. Med hensyn til DNA anvendes virale eller bakterielle vektorer, og polymere materialer som f.eks. polylactic-co-glycolsyre (PLGA), chitosan og polyethylenimin (PEI) er blevet anvendt til effektiv levering . Aptamere eller antistoffer kan konjugeres til teranostiske biomarkører og nanomaterialer med henblik på specifik målretning . Aptamerbaserede anvendelser omfatter billeddannelse, målrettet lægemiddelafgivelse og behandling som f.eks. målrettet fototerapi, genterapi og kemoterapi . Begrænsninger i ikke-toksisk specifik målretning og levering tilskyndede forskerne til at anvende lægemiddelbærere såsom liposomer og nanopartikler til indkapsling af oligonukleotidterapeutika . Undersøgelser af visse tumortyper, herunder lunge, bugspytkirtel og bryst, har vist vellykkede resultater med indkapslede antisense-oligonukleotider . RNA-oligonukleotider ved hjælp af antisense-gen-støjdæmpningsteknologi har givet lovende resultater med hensyn til at hæmme sygdomsrelateret mRNA-genekspression. RNA-terapeutika, herunder antisense-RNA, små interfererende RNA (siRNA) og anti-miRNA (anti-miRNA), er lovende til behandling af en række sygdomme, herunder kroniske komplekse sygdomme. Desuden er deres virkning blevet evalueret i de forskellige udviklingsfaser fra prækliniske til kliniske fase III-forsøg . Blandt de største udfordringer i forbindelse med effektiv levering er biokompatibilitet, beskyttelse mod nukleaser, distributionsplacering og persistens. Peter og kolleger har identificeret selvmord/dræbende RNA-molekyler (siRNA, shRNA, miRNA, miRNA, siRNA+miRNA-kompleks) på en lang række kræfttyper. Desuden har de vist, at specifikke giftige RNAi-aktive sekvenser i genomet kan dræbe kræftceller . Rozowsky og kolleger har genereret en omfattende analytisk platform til ekstracellulær RNA-profilering kaldet “exceRpt” .

Murillo og kolleger har skabt exRNA-atlasanalyse og udforsket, hvordan RNA overfører information gennem kommunikation fra celle til celle, kendt som ekstracellulært RNA eller exRNA . Desuden har de identificeret kompleksiteten i transporttrinnene for exRNA-molekyler, typer, transportører mellem celler, målceller og funktioner, og de har fundet ud af, at selv typen af transportør påvirkede, hvordan exRNA-meddelelser blev sendt og modtaget, hvilket kan foreslå potentielle nye sygdomsrelaterede biomarkører og terapeutiske mål. Indtil nu er der blevet identificeret potentielle exRNA-originerede biomarkører i 13 biofluider som plasma, spyt og urin i over 50 000 prøver fra over 2000 donorer for næsten 30 sygdomme, herunder hjerte-kar-sygdomme, sygdomme i hjernen og centralnervesystemet, graviditetskomplikationer, grøn stær, diabetes, autoimmune sygdomme og flere typer kræft. Således kunne exRNA-profiler være en individualiseret kilde og til personlig behandling af forskellige sygdomme.

Eksempler på nuværende og fremtidige anvendelser inden for molekylær medicin kan også omfatte DNA/RNA-chips, peptid/antistof arrays, aptamer/antikor-baserede immunoassays og/eller sensorsystemer til screening, diagnosticering og overvågning af sygdomme. Der er udviklet molekylære værktøjer/apparater som f.eks. lab-on-chips kombineret med sensorer ved hjælp af mikroarray-teknikker, som er i stand til at foretage stratificering af patienter på grundlag af bestemte kliniske og molekylære karakteristika . Disse værktøjer vurderes at kunne opfange meget lave koncentrationer af biokemiske stoffer i den tidlige sygdomsfase og resultere i en effektiv/følsom behandling og udrydde og/eller reducere over-/underbehandling og bivirkninger .