Campo de aplicación de la tecnología OMICS en la medicina molecular

Los enfoques basados en la OMICS han mejorado significativamente en los últimos tiempos con la incorporación de nuevos conceptos como la exposómica/exposómica, el estudio de la exposición ambiental, para desentrañar el papel del medio ambiente en las enfermedades humanas. Además, la adductómica, el estudio de los compuestos que se unen al ADN y causan daños y mutaciones, y la volatilómica, el estudio de los compuestos orgánicos volátiles, se han sumado al análisis de la metabolómica/lipidómica para la investigación exhaustiva del metaboloma. El exposoma es el estilo de vida total de una persona y las exposiciones ambientales, que aún no se conocen bien. Los investigadores de los NIH, el Dr. Chao Jiang y sus colegas, han desarrollado un método para capturar y mapear el «exposoma» de un individuo, bajo el concepto «exponer el exposoma humano: cada aliento que tomas, el exposoma dice dónde has estado y cuándo». Además, han diseñado un dispositivo portátil alimentado por baterías que incluye sensores, un recipiente de recogida con filtro y una bomba que simula la respiración humana para poder rastrear y cuantificar las exposiciones ambientales personales. Los sensores pueden detectar diferentes partículas, como las biológicas (bióticas), las químicas (abióticas), el humo del tabaco y los gases de los automóviles. Han detectado más de 2.500 especies, entre ellas bacterias, hongos, plantas, metazoos y más de 200 virus. Uno de ellos se llamó notablemente «brochosoma», que se parece a las partículas virales, en cierto sentido, pero en realidad es una especie de mezcla hidrofóbica de proteínas y lípidos fabricada por los insectos como mecanismo de impermeabilidad en su cuerpo.

La biología de sistemas, puede definirse como la integración de sistemas basados en las ómicas, es un enfoque de generación de hipótesis, mientras que la biología clásica es impulsada por hipótesis . La bioinformática es la aplicación de herramientas informáticas y de análisis utilizadas para capturar, almacenar e interpretar datos biológicos. Centrándose en los datos/información a gran escala obtenidos a partir de una evaluación exhaustiva, o global, de un conjunto de moléculas, las herramientas bioinformáticas se utilizan entonces para analizar la cantidad multidimensional de datos con el fin de revelar las biofirmas del metablotipo, el proteotipo y el panel de ADN-ARN.

El análisis de las tecnologías basadas en la multiómica a través de la biología de sistemas, la bioinformática y la potencia computacional nos permite comprender la diversidad de las enfermedades, la heterogeneidad molecular de las patologías complejas, el mecanismo implicado en la progresión de la enfermedad y la resistencia a los medicamentos. Posteriormente, se han producido mejoras en el desarrollo de sistemas de cribado, detección precoz y seguimiento de base molecular, así como de estrategias de tratamiento personalizadas. La identificación y caracterización integradora basada en la ómica de las dianas de los biomarcadores y sus traducciones clínicas son esenciales para desarrollar perfiles completos, estratificación del riesgo y futuras estrategias terapéuticas y de intervención temprana dirigidas a las células. Establecido por primera vez, hace una década, el enfoque «multiómico» de la enfermedad mediante el análisis integrador de «plataformas ómicas individuales» ha sido un cambio de paradigma atribuido a la medicina personalizada . De este modo, Chakraborty y sus colegas documentaron con éxito el enfoque «onco-multi-ómico» en la investigación del cáncer. La biología de sistemas integrada en el enfoque multiómico de alto rendimiento se ha dedicado a comprender la biofirma molecular completa de la salud y la enfermedad.

La determinación y validación precisas de los biomarcadores relacionados con la enfermedad requiere el desarrollo de sistemas de biorrepositorio con una gran colección y almacenamiento de bioespecímenes de pacientes, como tejidos, sangre y otros fluidos corporales, y datos clínicos y patológicos bien anotados. De este modo, los sistemas de biorrepositorio permiten la integración de la investigación básica, traslacional y clínica para liderar el descubrimiento de biomarcadores relevantes y estrategias emergentes de diagnóstico/terapéuticas personalizadas sobre grandes muestras fiables asociadas a enfermedades específicas . En otro aspecto, un reciente editorial de Nature (2019) destaca críticamente el hecho de centrarse en el estudio de biobancos de individuos sanos en lugar de personas con enfermedades para comprender mejor la definición exacta de la salud con todas sus manifestaciones . Proyectos como «100K Wellness Project» y «The All of Us Research Program» han estado produciendo datos de secuenciación de próxima generación a través de especímenes de individuos sanos para obtener mediciones moleculares, de estilo de vida y ambientales (http://allofus.nih.gov/), en particular para futuros estudios de descubrimiento de fármacos.

La diversidad genómica y la heterogeneidad molecular de las enfermedades complejas oscurecen el descubrimiento de biomarcadores teranósticos, pronósticos y predictivos, así como su traducción en medicina personalizada a nivel unicelular. En este sentido, los prometedores estudios unicelulares constituyen otro concepto emergente en el campo de la medicina molecular. Se ha sugerido que el análisis a nivel unicelular es crucial para un mejor y preciso enriquecimiento de biomarcadores relacionados con la compleja naturaleza heterogénea de las enfermedades. El análisis basado en la ómica a nivel unicelular comprende enfoques de epi/genómica, epi/transcriptómica, epi/proteómica y metabolómica/lipidómica. Estas tecnologías han facilitado nuestra comprensión de las variaciones, las interacciones, las funciones biológicas y la heterogeneidad de las enfermedades a nivel unicelular, lo que allana el camino hacia un sistema sanitario inteligente basado en la medicina personalizada. Últimamente, uno de los campos de investigación más candentes ha sido la caracterización molecular de biomarcadores circulantes compuestos por células tumorales circulantes (CTC), ADN libre de células (cfDNA) y/o exosomas como biopsias líquidas para evaluar la gestión y la evolución de la enfermedad en tiempo real. Los exosomas se han descrito como microvesículas (50-150 nm) liberadas en la región extracelular por una variedad de células. Los exosomas contienen oligonucleótidos, proteínas y metabolitos intactos y se han identificado en una amplia gama de biofluidos, como el suero, la orina, el plasma, la leche materna, la saliva, los derrames pleurales, el líquido de lavado broncoalveolar, las muestras oculares, las lágrimas, el líquido de lavado nasal, el semen, el líquido sinovial, el líquido amniótico y el suero asociado al embarazo. Con el desarrollo de las tecnologías ómicas de alto rendimiento, la biopsia líquida se ha asentado en el centro de las aplicaciones no invasivas o mínimamente invasivas de biofluidos fácilmente accesibles para detectar CTCs asociadas a enfermedades para enfoques diagnósticos, de seguimiento y terapéuticos. El aislamiento, la detección y la caracterización molecular de las CTC se han llevado a cabo en una variedad de enfermedades, principalmente en los cánceres. Debido a la gran heterogeneidad y resistencia al tratamiento que se observa en la biología de los tumores, la caracterización de las CTC de una sola célula permite la elaboración de perfiles clínicos y estrategias de tratamiento dirigidas y de seguimiento.

Las aplicaciones de la medicina molecular no sólo han mejorado la comprensión básica del mecanismo de la enfermedad, sino que también han contribuido a la comprensión del mecanismo de acción de los fármacos, a la identificación de las dianas teranósticas y, por tanto, a un cambio de paradigma en el descubrimiento de fármacos. La teranóstica molecular puede definirse como la integración del diagnóstico y el tratamiento de enfermedades con la misma diana molecular. En las últimas dos décadas se han desarrollado con éxito terapias y vacunas basadas en oligonucleótidos (ADN o ARN), como la terapia génica, las vacunas de ADN y los fármacos de ARN, utilizando anticuerpos y aptámeros. En lo que respecta al ADN, se utilizan vectores virales o bacterianos y se han aplicado materiales poliméricos como el ácido poli-láctico-co-glicólico (PLGA), el quitosano y la polietilenimina (PEI) para un suministro eficaz. Los aptámeros o anticuerpos pueden conjugarse con biomarcadores y nanomateriales teranósicos para una orientación específica. Las aplicaciones basadas en aptámeros incluyen la obtención de imágenes, la administración de fármacos dirigidos y tratamientos como la fototerapia, la terapia génica y la quimioterapia dirigidas. Las limitaciones de la orientación y la administración específicas no tóxicas animaron a los investigadores a utilizar portadores de fármacos, como liposomas y nanopartículas, para encapsular los tratamientos con oligonucleótidos. Los estudios sobre algunos tipos de tumores, como los de pulmón, páncreas y mama, han demostrado resultados satisfactorios con oligonucleótidos antisentido encapsulados. Los oligonucleótidos de ARN que utilizan la tecnología de silenciamiento génico antisentido han dado resultados prometedores para inhibir la expresión génica del ARNm relacionado con la enfermedad. Las terapias de ARN, incluyendo el ARN antisentido, el ARN pequeño de interferencia (siRNA) y el anti-miRNA (anti-miR) son prometedoras para el tratamiento de una serie de enfermedades, incluyendo las enfermedades crónicas complejas. Además, su impacto se ha evaluado en las diferentes fases de desarrollo, desde la preclínica hasta los ensayos clínicos de fase III. Entre los principales retos que se plantean en relación con la entrega eficiente se encuentran la biocompatibilidad, la protección frente a las nucleasas, la localización de la distribución y la persistencia. Peter y sus colegas han identificado moléculas de ARN suicida/asesino (siRNA, shRNA, miRNA, complejo siRNA+miRNA) en numerosos tipos de cáncer. Además, han demostrado que las secuencias tóxicas específicas de ARNi activo presentes en el genoma pueden matar las células cancerosas . Rozowsky y sus colegas han generado una plataforma analítica completa para la elaboración de perfiles de ARN extracelular denominada «exceRpt».

Murillo y sus colegas han creado el Atlas de Análisis de ARNex, y han explorado cómo el ARN transmite información a través de la comunicación célula a célula, conocida como ARN extracelular o ARNex . Además, han identificado la complejidad de las etapas de transporte de las moléculas de exARN, los tipos, los portadores entre las células, las células objetivo y las funciones, y descubrieron que incluso el tipo de portador afectaba a la forma en que se enviaban y recibían los mensajes de exARN, lo que puede sugerir posibles biomarcadores y dianas terapéuticas novedosas asociadas a enfermedades. Hasta la fecha, se han identificado biomarcadores potenciales originados por exARN en 13 biofluidos como el plasma, la saliva y la orina en más de 50.000 muestras de más de 2.000 donantes para casi 30 enfermedades, entre ellas las cardiovasculares, las cerebrales y del sistema nervioso central, las complicaciones del embarazo, el glaucoma, la diabetes, las enfermedades autoinmunes y múltiples tipos de cáncer. Por lo tanto, los perfiles de exARN podrían ser una fuente individualizada y para el tratamiento personalizado de diversas enfermedades.

Ejemplos de aplicaciones actuales y futuras en medicina molecular pueden incluir también chips de ADN/ARN, matrices de péptidos/anticuerpos, inmunoensayos basados en aptámeros/anticuerpos, y/o sistemas de sensores para la detección, el diagnóstico y el seguimiento de enfermedades. Se han desarrollado herramientas/dispositivos moleculares, como los lab-on-chips combinados con sensores que utilizan técnicas de micromatrices, capaces de realizar una estratificación de los pacientes basada en características clínicas y moleculares específicas. Esas herramientas se evalúan para captar concentraciones muy bajas de sustancias bioquímicas en la fase inicial de la enfermedad, y dan lugar a un tratamiento eficaz/sensible y erradican y/o reducen el sobre/infra tratamiento, y los efectos secundarios .