Toepassingsgebied van OMICS-technologie in moleculaire geneeskunde

Omics-gebaseerde benaderingen zijn onlangs aanzienlijk verbeterd door de toevoeging van nieuwe concepten zoals exposome/exposomics, de studie van de blootstelling aan het milieu, om de rol van het milieu in menselijke ziekten te ontrafelen. Voorts zijn de adductomics, de studie van verbindingen die zich aan DNA binden en schade en mutaties veroorzaken, en volatilomics, de studie van vluchtige organische verbindingen, toegevoegd aan de metabolomics/lipidomics-analyse voor uitgebreid onderzoek van het metaboloom. Exposome is de totale blootstelling van een persoon aan levensstijl en milieu, die nog niet goed wordt begrepen. Onderzoekers van de NIH, Dr. Chao Jiang en zijn collega’s, hebben een methode ontwikkeld om het “exposoom” van een individu vast te leggen en in kaart te brengen – volgens het concept “het blootstellen van het menselijk exposoom – elke ademteug die je neemt, het exposoom vertelt waar je bent geweest en wanneer”. Verder hebben zij een draagbaar, op batterijen werkend apparaat ontworpen dat bestaat uit sensoren, een opvangbak met filter, en een pomp die de menselijke ademhaling simuleert om persoonlijke milieublootstellingen te kunnen traceren en kwantificeren. De sensoren kunnen verschillende deeltjes detecteren, zoals biologische stoffen (biotica), chemische stoffen (abiotica), tabaksrook en uitlaatgassen van auto’s. Zij hebben meer dan 2500 soorten gedetecteerd, waaronder bacteriën, schimmels, planten, metazoa, en meer dan 200 virussen. Een daarvan werd opmerkelijk “brochosoom” genoemd, dat in zekere zin op virale deeltjes lijkt, maar in feite een soort hydrofoob eiwit/lipide mengsel is dat door insecten wordt gemaakt als een waterdicht mechanisme op hun lichaam.

Systeembiologie, kan worden gedefinieerd als de integratie van op omica gebaseerde systemen, is een hypothese-genererende benadering, terwijl de klassieke biologie hypothese-gestuurd is. Bio-informatica is de toepassing van computationele hulpmiddelen en analyse die worden gebruikt om biologische gegevens vast te leggen, op te slaan en te interpreteren. Gericht op grootschalige gegevens / informatie verkregen uit een uitgebreide, of globale, beoordeling van een reeks moleculen, worden bio-informatica tools vervolgens gebruikt om de multi-dimensionale hoeveelheid gegevens te analyseren om metabotype, proteotype, en DNA-RNA panel biosignaturen te onthullen.

Analyse van multi-omics-gebaseerde technologieën door middel van systeembiologie, bio-informatica, en computationele kracht stelt ons in staat om de diversiteit van ziekten, moleculaire heterogeniteit van complexe pathologieën, mechanisme betrokken bij ziekteprogressie, en resistentie tegen geneesmiddelen te begrijpen. Vervolgens is er verbetering opgetreden in de ontwikkeling van moleculair-gebaseerde screening, vroegtijdige detectie en monitoring systemen, alsmede gepersonaliseerde behandelingsstrategieën . Op omics gebaseerde integratieve identificatie en karakterisering van biomarker targets en hun klinische vertaling zijn essentieel voor de ontwikkeling van uitgebreide profilering, risicostratificatie, toekomstige celgerichte vroegtijdige interventie en therapeutische strategieën. Voor het eerst vastgesteld, een decennium geleden, “multi-omics” benadering van ziekte door integratieve analyse van “single omics platforms” zijn een paradigmaverschuiving toegeschreven aan gepersonaliseerde geneeskunde . Op deze manier, Chakraborty en collega’s met succes gedocumenteerd “onco-multi-omics” benadering in kankeronderzoek . Systeembiologie geïntegreerde high-throughput multi-omics benadering is gewijd aan het begrijpen van complete moleculaire biosignatuur van gezondheid en ziekte.

Nauwkeurige bepaling en validatie van ziekte-gerelateerde biomarkers vereist de ontwikkeling van biorepository systemen met een grote collectie en opslag van patiënt biospecimens zoals weefsel, bloed en andere lichaamsvloeistoffen, en goed geannoteerd klinische en pathologische gegevens . Op deze manier, biorepository systemen mogelijk integratie van fundamenteel, translationeel en klinisch onderzoek te leiden tot de ontdekking van belemmerd relevante biomarkers en opkomende gepersonaliseerde diagnostische / therapeutische strategieën op betrouwbare grote steekproefgroottes geassocieerd met specifieke ziekten . In een ander aspect benadrukt een recent hoofdartikel van Nature (2019) kritisch de focus op het bestuderen van gezonde individuen biobanking in plaats van mensen met ziekten om de exacte definitie van gezondheid met al zijn manifestaties beter te begrijpen . Projecten zoals “100K Wellness Project” en “The All of Us Research Program” hebben next-generation sequencing gegevens geproduceerd via specimens van gezonde individuen om moleculaire, levensstijl- en omgevingsmetingen te verkrijgen (http://allofus.nih.gov/), met name voor toekomstige geneesmiddelenontdekkingsstudies.

Genomische diversiteit en moleculaire heterogeniteit van complexe ziekten belemmeren de ontdekking van theranostische, prognostische en voorspellende biomarkers, evenals hun vertaling naar gepersonaliseerde geneeskunde op het niveau van een enkele cel. In dit opzicht vormden veelbelovende single-cell studies een ander opkomend concept op het gebied van de moleculaire geneeskunde. Analyse op het niveau van één cel is cruciaal gebleken voor een betere en precieze verrijking van biomarkers in verband met de complexe heterogene aard van ziekten. Op omics gebaseerde analyse op het niveau van één cel omvat epi/genomics, epi/transcriptomics, epi/proteomics, en metabolomics/lipidomics benaderingen. Deze technologieën hebben ons inzicht in variaties, interacties, biologische functies en heterogeniteit van ziekten op het niveau van de eencellige vergemakkelijkt, waardoor de weg is geëffend voor een op gepersonaliseerde geneeskunde gebaseerd slim gezondheidszorgsysteem. De laatste tijd is een van de heetste onderzoeksgebieden de moleculaire karakterisering van circulerende biomarkers, bestaande uit circulerende tumorcellen (CTC’s), celvrij DNA (cfDNA) en/of exosomen als vloeibare biopten om het ziektebeheer en de evolutie in real time te beoordelen. Exosomen zijn beschreven als microvesicules (50-150 nm) die door een verscheidenheid van cellen in het extracellulaire gebied worden vrijgegeven. Exosomen bevatten intacte oligonucleotiden, eiwitten en metabolieten en zijn geïdentificeerd in een breed scala van biovloeistoffen, waaronder serum, urine, plasma, moedermelk, speeksel, pleurale effusies, bronchoalveolaire lavage vloeistof, oogmonsters, tranen, nasale lavage vloeistof, sperma, synoviale vloeistof, vruchtwater, en zwangerschap-geassocieerd serum. Met de ontwikkeling van high-throughput omics technologieën, heeft vloeibare biopsie zich gevestigd in het centrum van niet-invasieve of minimaal invasieve toepassingen van gemakkelijk toegankelijke biofluïden om ziekte-geassocieerde CTCs te detecteren voor diagnostische, monitoring en therapeutische benaderingen. Isolatie, detectie en moleculaire karakterisering van CTC’s zijn uitgevoerd in een verscheidenheid van ziekten, vooral in kankers. Vanwege de hoge heterogeniteit en resistentie tegen behandeling waargenomen in de tumor biologie, single-cel CTC karakterisering maakt klinische profilering en gerichte behandeling strategieën en monitoring.

Moleculaire geneeskunde toepassingen niet alleen het basisbegrip van de ziekte mechanisme verbeterd, maar ook bijgedragen aan het begrip van het mechanisme van de werking van geneesmiddelen, identificatie van theranostic targets, en dus een paradigmaverschuiving in de ontdekking van geneesmiddelen . Moleculaire theranostiek kan worden gedefinieerd als de integratie van ziektediagnose en -behandeling met hetzelfde moleculaire doelwit. Veelbelovende therapeutica en vaccins op basis van oligonucleotiden (DNA of RNA), zoals gentherapie, DNA-vaccins en RNA-geneesmiddelen, zijn in de laatste 2 decennia met succes ontwikkeld met gebruikmaking van antilichamen en aptameren. Wat DNA betreft, worden virale of bacteriële vectoren gebruikt en polymere materialen zoals polylactisch-co-glycolzuur (PLGA), chitosan, en polyethyleenimine (PEI) zijn toegepast voor efficiënte toediening. Aptameren of antilichamen kunnen worden geconjugeerd aan theranostische biomarkers en nanomaterialen voor specifieke targeting . Op aptameren gebaseerde toepassingen omvatten beeldvorming, gerichte toediening van geneesmiddelen, en behandeling zoals gerichte fototherapie, gentherapie en chemotherapie . Beperkingen in niet-toxische specifieke targeting en levering aangemoedigd onderzoekers om dragers van geneesmiddelen, zoals liposomen en nanodeeltjes te gebruiken voor inkapseling van oligonucleotide therapeutica . Studies op sommige tumortypes waaronder long, pancreas, en borst hebben succesvolle resultaten aangetoond met ingekapselde antisense oligonucleotiden . RNA-oligonucleotiden waarbij gebruik wordt gemaakt van de antisense gene silencing-technologie hebben veelbelovende resultaten opgeleverd voor het remmen van ziektegerelateerde mRNA-genexpressie. RNA-therapeutica met inbegrip van antisense RNA, kleine interfererende RNA (siRNA), en anti-miRNA (anti-miR) zijn veelbelovend voor de behandeling van een aantal ziekten, waaronder chronische complexe ziekten. Bovendien is hun effect geëvalueerd in de verschillende stadia van ontwikkeling, van preklinische tot fase III klinische proeven. Belangrijke uitdagingen in verband met een efficiënte toediening zijn biocompatibiliteit, bescherming tegen nucleasen, distributielocatie en persistentie. Peter en collega’s hebben zelfmoord/dodende RNA-moleculen (siRNA, shRNA, miRNA, siRNA+miRNA-complex) geïdentificeerd voor talrijke kankertypes. Bovendien hebben zij aangetoond dat specifieke toxische RNAi-actieve sequenties aanwezig in het genoom kankercellen kunnen doden . Rozowsky en collega’s hebben een uitgebreid analytisch platform gegenereerd voor extracellulaire RNA profilering genaamd “exceRpt” .

Murillo en collega’s hebben exRNA Atlas Analyse gecreëerd, en onderzocht hoe RNA informatie overdraagt via cel-tot-cel communicatie, bekend als extracellulair RNA of exRNA . Bovendien hebben zij de complexiteit geïdentificeerd in de stappen van het transport van exRNA-moleculen, types, dragers tussen cellen, doelcellen, en functies, en ontdekten dat zelfs het type drager beïnvloedde hoe exRNA-berichten werden verzonden en ontvangen, wat potentiële nieuwe ziekte-geassocieerde biomarkers en therapeutische doelen kan suggereren. Tot op heden zijn in 13 biovloeistoffen zoals plasma, speeksel en urine in meer dan 50.000 monsters van meer dan 2000 donoren potentiële biomarkers geïdentificeerd voor bijna 30 ziekten, waaronder hart- en vaatziekten, hersenziekten en aandoeningen van het centrale zenuwstelsel, zwangerschapscomplicaties, glaucoom, diabetes, auto-immuunziekten en verschillende soorten kanker. Aldus zouden exRNA-profielen een geïndividualiseerde bron en voor een gepersonaliseerde behandeling van diverse ziekten kunnen zijn.

Voorbeelden van huidige en toekomstige toepassingen in de moleculaire geneeskunde kunnen ook DNA/RNA-chips, peptide/antilichaam arrays, aptamer/antikor-gebaseerde immunoassays, en/of sensorsystemen voor het screenen, diagnosticeren en monitoren van ziekten omvatten. Er zijn moleculaire instrumenten/apparaten ontwikkeld zoals lab-on-chips in combinatie met sensoren die gebruik maken van micro-arraytechnieken, waarmee patiënten op basis van bepaalde klinische en moleculaire kenmerken kunnen worden gestratificeerd. Deze instrumenten worden beoordeeld om zeer lage concentraties van biochemische stoffen in de vroege ziektefase op te vangen, en resulteren in een effectieve/gevoelige behandeling en uitroeiing en/of vermindering van over-/onderbehandeling, en bijwerkingen .