Campo di applicazione della tecnologia OMICS nella medicina molecolare

Approcci basati sull’OMICS sono stati notevolmente migliorati di recente con l’aggiunta di nuovi concetti come exposome/exposomics, lo studio dell’esposizione ambientale, per svelare il ruolo dell’ambiente nelle malattie umane. Inoltre, l’aggiunta di adductomics, lo studio dei composti che legano il DNA e causano danni e mutazioni, e volatilomics, lo studio dei composti organici volatili all’analisi metabolomica/lipidomica per la ricerca completa del metaboloma sono stati recentemente emergenti. Exposome è lo stile di vita totale di una persona e le esposizioni ambientali, che non è ancora ben compreso. I ricercatori del NIH, il Dr. Chao Jiang e i suoi colleghi, hanno sviluppato un metodo per catturare e mappare l'”exposome” di un individuo, secondo il concetto “esporre l’exposome umano – ogni respiro che fai, l’exposome dice dove sei stato e quando”. Inoltre, hanno progettato un dispositivo portatile, alimentato a batteria, che comprende sensori, un contenitore di raccolta con filtro e una pompa che simula la respirazione umana per essere in grado di tracciare e quantificare le esposizioni ambientali personali. I sensori possono rilevare diverse particelle come biologici (biotici), chimici (abiotici), fumo di tabacco e fumi di automobili. Hanno rilevato più di 2500 specie, tra cui batteri, funghi, piante, metazoi e più di 200 virus. Uno di loro è stato notevolmente chiamato “brochosoma” che assomiglia a particelle virali, in un certo senso, ma è in realtà una sorta di miscela idrofoba di proteine/lipidi fatta dagli insetti come un meccanismo impermeabile sul loro corpo.

La biologia dei sistemi, può essere definita come l’integrazione di sistemi basati su omics, è un approccio che genera ipotesi, mentre la biologia classica è guidata da ipotesi. La bioinformatica è l’applicazione di strumenti computazionali e di analisi utilizzati per catturare, memorizzare e interpretare i dati biologici. Concentrandosi su dati/informazioni su larga scala ottenuti da una valutazione completa, o globale, di un insieme di molecole, gli strumenti bioinformatici vengono poi utilizzati per analizzare la quantità multidimensionale di dati per rivelare il metabotipo, il proteotipo e le biosignature del pannello DNA-RNA.

L’analisi delle tecnologie multiomiche attraverso la biologia dei sistemi, la bioinformatica e la potenza computazionale ci permette di comprendere la diversità delle malattie, l’eterogeneità molecolare delle patologie complesse, il meccanismo coinvolto nella progressione della malattia e la resistenza ai farmaci. Di conseguenza, sono stati fatti miglioramenti nello sviluppo di sistemi di screening, rilevamento precoce e monitoraggio basati sulle molecole, così come di strategie di trattamento personalizzate. L’identificazione e la caratterizzazione integrativa basata sull’omica di obiettivi biomarcatori e le loro traduzioni cliniche sono essenziali per sviluppare un profilo completo, la stratificazione del rischio, le future strategie interventistiche e terapeutiche precoci mirate alle cellule. Stabilito per la prima volta un decennio fa, l’approccio “multiomico” alla malattia attraverso l’analisi integrativa di “singole piattaforme omiche” è stato un cambiamento di paradigma attribuito alla medicina personalizzata. In questo modo, Chakraborty e colleghi hanno documentato con successo l’approccio “onco-multi-omics” nella ricerca sul cancro. La biologia dei sistemi ha integrato l’approccio multiomica ad alta velocità ed è stata dedicata a comprendere la biosignatura molecolare completa della salute e della malattia.

La determinazione accurata e la convalida dei biomarcatori legati alla malattia richiede lo sviluppo di sistemi di biorepository con una grande raccolta e stoccaggio di biospecifici di pazienti come tessuti, sangue e altri fluidi corporei, e dati clinici e patologici ben annotati. In questo modo, i sistemi di biorepository consentono l’integrazione della ricerca di base, traslazionale e clinica per condurre la scoperta di biomarcatori rilevanti ostacolati e strategie diagnostiche/terapeutiche personalizzate emergenti su grandi dimensioni affidabili del campione associate a malattie specifiche. In un altro aspetto, un recente editoriale di Nature (2019) evidenzia criticamente concentrandosi su per studiare individui sani biobanking piuttosto che persone con malattie per capire meglio la definizione esatta di salute con tutte le sue manifestazioni . Progetti come “100K Wellness Project” e “The All of Us Research Program” hanno prodotto dati di sequenziamento di prossima generazione attraverso campioni di individui sani per ottenere misure molecolari, di stile di vita e ambientali (http://allofus.nih.gov/), in particolare per futuri studi di scoperta di farmaci.

La diversità genomica e l’eterogeneità molecolare delle malattie complesse oscurano la scoperta di biomarcatori terapeutici, prognostici e predittivi, nonché la loro traduzione in medicina personalizzata a livello di singola cellula. In questo aspetto, i promettenti studi sulle cellule singole hanno formato un altro concetto emergente nel campo della medicina molecolare. L’analisi a livello di singola cellula è stata suggerita come cruciale per un migliore e preciso arricchimento dei biomarcatori legati alla complessa natura eterogenea delle malattie. L’analisi basata sull’omica a livello di singola cellula comprende approcci di epi/genomica, epi/trascrittomica, epi/proteomica e metabolomica/lipidomica. Queste tecnologie hanno facilitato la nostra comprensione delle variazioni, delle interazioni, delle funzioni biologiche e dell’eterogeneità della malattia a livello di singola cellula che apre la strada a un sistema sanitario intelligente basato sulla medicina personalizzata. Ultimamente, uno dei campi di ricerca più caldi è emerso come caratterizzazione molecolare dei biomarcatori circolanti composti da cellule tumorali circolanti (CTC), DNA libero da cellule (cfDNA) e/o esosomi come biopsie liquide per valutare la gestione e l’evoluzione della malattia in tempo reale. Gli esosomi sono stati descritti come microvescicole (50-150 nm) rilasciate nella regione extracellulare da una varietà di cellule. Gli esosomi contengono oligonucleotidi intatti, proteine e metaboliti e sono stati identificati in una vasta gamma di biofluidi tra cui siero, urina, plasma, latte materno, saliva, versamenti pleurici, liquido di lavaggio broncoalveolare, campioni oculari, lacrime, liquido di lavaggio nasale, sperma, liquido sinoviale, liquido amniotico e siero associato alla gravidanza. Con lo sviluppo di tecnologie omiche ad alta produttività, la biopsia liquida si è stabilita al centro di applicazioni non invasive o minimamente invasive di biofluidi facilmente accessibili per rilevare le CTC associate alla malattia per approcci diagnostici, di monitoraggio e terapeutici. L’isolamento, il rilevamento e la caratterizzazione molecolare delle CTC sono stati eseguiti in una varietà di malattie, soprattutto nei tumori. A causa dell’elevata eterogeneità e della resistenza al trattamento osservata nella biologia dei tumori, la caratterizzazione delle CTC a cellula singola permette la profilazione clinica e le strategie di trattamento mirato e il monitoraggio.

Le applicazioni della medicina molecolare non solo hanno migliorato la comprensione di base del meccanismo della malattia, ma hanno anche contribuito alla comprensione del meccanismo di azione dei farmaci, all’identificazione di obiettivi terapeutici e quindi a un cambiamento di paradigma nella scoperta dei farmaci. La terapeutica molecolare può essere definita come l’integrazione della diagnosi e del trattamento della malattia con lo stesso obiettivo molecolare. Promettenti terapie e vaccini a base di oligonucleotidi (DNA o RNA) come la terapia genica, i vaccini a DNA e i farmaci a RNA sono stati sviluppati con successo negli ultimi due decenni utilizzando anticorpi e aptameri. Per quanto riguarda il DNA, vengono utilizzati vettori virali o batterici e materiali polimerici come l’acido polilattico-co-glicolico (PLGA), il chitosano e la polietilenimina (PEI) sono stati applicati per una consegna efficiente. Gli aptameri o gli anticorpi possono essere coniugati a biomarcatori e nanomateriali terapeutici per il targeting specifico. Le applicazioni basate sugli aptameri includono l’imaging, il rilascio di farmaci mirati e il trattamento come la fototerapia mirata, la terapia genica e la chemioterapia. Le limitazioni nel targeting specifico non tossico e nella consegna hanno incoraggiato i ricercatori a utilizzare vettori di farmaci come liposomi e nanoparticelle per l’incapsulamento di terapie oligonucleotidiche. Studi su alcuni tipi di tumore tra cui il polmone, il pancreas e il seno hanno dimostrato risultati positivi con oligonucleotidi antisenso incapsulati. Gli oligonucleotidi di RNA che utilizzano la tecnologia di silenziamento genico antisenso hanno dato risultati promettenti per inibire l’espressione genica dell’mRNA legata alla malattia. Le terapie a RNA che includono RNA antisenso, small interfering RNA (siRNA), e anti-miRNA (anti-miR) sono promettenti per il trattamento di un certo numero di malattie, comprese le malattie croniche complesse. Inoltre, il loro impatto è stato valutato nelle diverse fasi di sviluppo dalla preclinica agli studi clinici di fase III. Le principali sfide che riguardano la consegna efficiente includono la biocompatibilità, la protezione dalle nucleasi, la posizione di distribuzione e la persistenza. Peter e colleghi hanno identificato molecole di RNA suicide/killer (siRNA, shRNA, miRNA, complesso siRNA+miRNA) su numerosi tipi di cancro. Inoltre, hanno dimostrato che specifiche sequenze tossiche RNAi-attive presenti nel genoma possono uccidere le cellule tumorali. Rozowsky e colleghi hanno generato una piattaforma analitica completa per la profilazione dell’RNA extracellulare chiamata “exceRpt” .

Murillo e colleghi hanno creato exRNA Atlas Analysis, ed esplorato come l’RNA trasmette informazioni attraverso la comunicazione da cellula a cellula, nota come RNA extracellulare o exRNA . Inoltre, hanno identificato la complessità nelle fasi di trasporto delle molecole exRNA, i tipi, i vettori tra le cellule, le cellule bersaglio e le funzioni, e hanno scoperto che anche il tipo di vettore ha influenzato il modo in cui i messaggi exRNA sono stati inviati e ricevuti che possono suggerire potenziali nuovi biomarcatori associati alla malattia e obiettivi terapeutici. Ad oggi, i potenziali biomarcatori originati dagli exRNA sono stati identificati in 13 biofluidi come plasma, saliva e urina in oltre 50.000 campioni provenienti da più di 2000 donatori per quasi 30 malattie tra cui malattie cardiovascolari, malattie del cervello e del sistema nervoso centrale, complicazioni della gravidanza, glaucoma, diabete, malattie autoimmuni e diversi tipi di cancro. Così, i profili exRNA potrebbero essere una fonte individualizzata e per il trattamento personalizzato di varie malattie.

Esempi di applicazioni attuali e future nella medicina molecolare possono anche includere chip di DNA/RNA, array di peptidi/anticorpi, saggi immunologici basati su aptameri/antikor, e/o sistemi di sensori per lo screening delle malattie, la diagnosi e il monitoraggio. Sono stati sviluppati strumenti/dispositivi molecolari come i lab-on-chip combinati con sensori che utilizzano tecniche di micro-array che sono in grado di eseguire la stratificazione dei pazienti in base a specifiche caratteristiche cliniche e molecolari. Questi strumenti sono valutati per catturare concentrazioni molto basse di sostanze biochimiche nella fase iniziale della malattia, e risultano in un trattamento efficace/sensibile e sradicano e/o riducono il sovra/sottotrattamento e gli effetti collaterali.