Pola zastosowań technologii OMICS w medycynie molekularnej

Podejścia oparte na OMICS zostały ostatnio znacznie ulepszone dzięki dodaniu nowych koncepcji, takich jak exposome/exposomics, badanie narażenia środowiskowego, w celu rozwikłania roli środowiska w chorobach człowieka. Ponadto w ostatnim czasie pojawiły się nowe koncepcje, takie jak adduktomika, czyli badanie związków, które wiążą się z DNA i powodują uszkodzenia i mutacje, oraz wolatilomika, czyli badanie lotnych związków organicznych, do analizy metabolomiki/lipidomiki w celu kompleksowego badania metabolomu. Ekspozyom to całkowity styl życia danej osoby i narażenia środowiskowe, które nie są jeszcze dobrze poznane. Naukowcy z NIH, Dr. Chao Jiang i jego współpracownicy, opracowali metodę przechwytywania i mapowania indywidualnego „exposome”- zgodnie z koncepcją „ekspozycji ludzkiego exposome – każdy oddech, który bierzesz, exposome mówi gdzie byłeś i kiedy”. Ponadto, zaprojektowali oni przenośne, zasilane bateriami urządzenie składające się z czujników, pojemnika zbierającego z filtrem oraz pompy, która symuluje ludzki oddech, aby móc śledzić i określać ilościowo osobiste narażenie środowiskowe. Czujniki mogą wykrywać różne cząsteczki, takie jak substancje biologiczne (biotyczne), chemikalia (abiotyczne), dym tytoniowy i spaliny samochodowe. Wykryły one ponad 2500 gatunków, w tym bakterie, grzyby, rośliny, metazoa i ponad 200 wirusów. Jeden z nich był niezwykle nazywany „brochosom”, które wyglądają jak cząstki wirusowe, w pewnym sensie, ale jest to w rzeczywistości jakiś rodzaj hydrofobowej mieszaniny białek/lipidów wykonane przez owady jako wodoodporny mechanizm na ich body.

Biologia systemów, może być zdefiniowana jako integracja systemów opartych na omics, jest podejściem generującym hipotezy, podczas gdy klasyczna biologia jest hipotezą-driven . Bioinformatyka to zastosowanie narzędzi obliczeniowych i analiz używanych do przechwytywania, przechowywania i interpretowania danych biologicznych. Koncentrując się na dużej skali danych/informacji uzyskanych z kompleksowej, lub globalnej, oceny zestawu cząsteczek, narzędzia bioinformatyczne są następnie wykorzystywane do analizy wielowymiarowej ilości danych w celu ujawnienia metabotypu, proteotypu i biosygnatur panelu DNA-RNA.

Analiza technologii opartych na multi-omice poprzez biologię systemów, bioinformatykę i moc obliczeniową pozwala nam zrozumieć różnorodność chorób, heterogeniczność molekularną złożonych patologii, mechanizm zaangażowany w progresję choroby i oporność na leki. W konsekwencji nastąpił postęp w rozwoju molekularnych systemów przesiewowych, wczesnego wykrywania i monitorowania, jak również spersonalizowanych strategii leczenia. Integracyjna identyfikacja i charakterystyka biomarkerów oraz ich kliniczne zastosowanie są niezbędne do opracowania kompleksowego profilowania, stratyfikacji ryzyka, wczesnych interwencji i strategii terapeutycznych skierowanych na przyszłe komórki. Po raz pierwszy ustanowione, dekadę temu, „multi-omics” podejście do choroby poprzez integracyjną analizę „pojedynczych platform omicznych” były zmianą paradygmatu przypisywaną medycynie spersonalizowanej. W ten sposób, Chakraborty i współpracownicy z powodzeniem udokumentowali podejście „onco-multi-omics” w badaniach nad rakiem. Biologia systemów zintegrowanych high-throughput multi-omics podejście zostało dedykowane do zrozumienia kompletnych molekularnych biosygnatur zdrowia i choroby.

Dokładne określenie i walidacja biomarkerów związanych z chorobą wymaga rozwoju systemów biorepozytorium z dużą kolekcją i przechowywania biopierwiastków pacjenta, takich jak tkanki, krew i inne płyny ustrojowe, a także dobrze opisanych danych klinicznych i patologicznych. W ten sposób systemy biorepozytoryjne umożliwiają integrację badań podstawowych, translacyjnych i klinicznych, aby doprowadzić do odkrycia utrudnionych istotnych biomarkerów i pojawiających się spersonalizowanych strategii diagnostycznych/terapeutycznych na wiarygodnych dużych próbkach związanych z konkretnymi chorobami. W innym aspekcie, niedawny edytor Nature (2019) krytycznie podkreśla skupienie się na badaniu zdrowych osób biobankowania, a nie osób z chorobami, aby lepiej zrozumieć dokładną definicję zdrowia ze wszystkimi jego przejawami . Projekty takie jak „100K Wellness Project” i „The All of Us Research Program” produkowały dane sekwencjonowania następnej generacji poprzez próbki od zdrowych osób w celu uzyskania pomiarów molekularnych, stylu życia i środowiska (http://allofus.nih.gov/), w szczególności dla przyszłych badań nad odkrywaniem leków.

Różnorodność genomowa i heterogeniczność molekularna złożonych chorób zaciemnia odkrycie biomarkerów teranostycznych, prognostycznych i predykcyjnych, a także ich przełożenie na spersonalizowaną medycynę na poziomie pojedynczej komórki. W tym aspekcie, obiecujące badania jednokomórkowe stanowią kolejną wyłaniającą się koncepcję w dziedzinie medycyny molekularnej. Sugeruje się, że analiza na poziomie pojedynczych komórek jest kluczowa dla lepszego i bardziej precyzyjnego wzbogacenia biomarkerów związanych ze złożoną, heterogeniczną naturą chorób. Analiza oparta na omice na poziomie pojedynczych komórek obejmuje epi/genomikę, epi/transkryptomikę, epi/proteomikę oraz metabolomikę/lipidomikę. Technologie te ułatwiły nam zrozumienie różnic, interakcji, funkcji biologicznych i heterogeniczności chorób na poziomie pojedynczych komórek, co toruje drogę dla inteligentnego systemu opieki zdrowotnej opartego na medycynie spersonalizowanej. Ostatnio jednym z najgorętszych obszarów badawczych stała się molekularna charakterystyka krążących biomarkerów składających się z krążących komórek nowotworowych (CTCs), DNA wolnego od komórek (cfDNA) i/lub egzosomów jako płynnych biopsji w celu oceny zarządzania chorobą i jej ewolucji w czasie rzeczywistym. Egzosomy zostały opisane jako mikropęcherzyki (50-150 nm) uwalniane do przestrzeni pozakomórkowej przez różne komórki. Egzosomy zawierają nienaruszone oligonukleotydy, białka i metabolity i zostały zidentyfikowane w szerokiej gamie płynów biologicznych, w tym surowicy, moczu, osoczu, mleku matki, ślinie, wysiękach opłucnowych, płynie z płukania oskrzelowo-pęcherzykowego, próbkach oczu, łzach, płynie z nosa, nasieniu, płynie maziowym, płynie owodniowym i surowicy związanej z ciążą. Wraz z rozwojem wysokowydajnych technologii omicznych, płynna biopsja znalazła się w centrum nieinwazyjnych lub minimalnie inwazyjnych zastosowań łatwo dostępnych płynów biologicznych w celu wykrycia CTC związanych z chorobą dla celów diagnostycznych, monitorujących i terapeutycznych. Izolację, wykrywanie i charakterystykę molekularną CTCs przeprowadzono w różnych chorobach, głównie w nowotworach. Ze względu na wysoką heterogenność i oporność na leczenie obserwowaną w biologii nowotworów, charakterystyka pojedynczych komórek CTC pozwala na profilowanie kliniczne i strategie leczenia celowanego oraz monitorowanie.

Zastosowania medycyny molekularnej nie tylko poprawiły podstawowe zrozumienie mechanizmu choroby, ale także przyczyniły się do zrozumienia mechanizmu działania leków, identyfikacji celów teranostycznych, a tym samym zmiany paradygmatu w odkrywaniu leków. Teranostyka molekularna może być zdefiniowana jako integracja diagnozowania i leczenia chorób przy użyciu tego samego celu molekularnego. Obiecujące terapie i szczepionki na bazie oligonukleotydów (DNA lub RNA), takie jak terapia genowa, szczepionki DNA i farmaceutyki RNA, zostały z powodzeniem opracowane w ciągu ostatnich dwóch dekad przy użyciu przeciwciał i aptamerów. Jeśli chodzi o DNA, stosuje się wektory wirusowe lub bakteryjne, a materiały polimerowe, takie jak kwas polimlekowy (PLGA), chitozan i polietylenoimina (PEI) są stosowane do skutecznego dostarczania leków. Aptamery lub przeciwciała mogą być sprzężone z biomarkerami teranostycznymi i nanomateriałami w celu specyficznego ukierunkowania. Zastosowania oparte na aptamerach obejmują obrazowanie, ukierunkowane dostarczanie leków i leczenie, takie jak ukierunkowana fototerapia, terapia genowa i chemioterapia. Ograniczenia w nietoksycznym ukierunkowaniu i dostarczaniu leków zachęciły badaczy do wykorzystania nośników leków, takich jak liposomy i nanocząstki do enkapsulacji terapii oligonukleotydowych. Badania nad niektórymi typami nowotworów, w tym płuc, trzustki i piersi, wykazały pomyślne wyniki przy zastosowaniu enkapsulowanych oligonukleotydów antysensowych. Oligonukleotydy RNA wykorzystujące technologię antysensownego wyciszania genów dały obiecujące wyniki w hamowaniu związanej z chorobą ekspresji genów mRNA. Terapeutyki RNA, w tym antysensowne RNA, małe interferujące RNA (siRNA) i anty-miRNA (anty-miR) są obiecujące w leczeniu wielu chorób, w tym przewlekłych chorób złożonych. Ponadto, ich wpływ został oceniony na różnych etapach rozwoju, od badań przedklinicznych do badań klinicznych III fazy. Główne wyzwania związane z efektywnym dostarczaniem leków obejmują biokompatybilność, ochronę przed nukleazami, lokalizację dystrybucji i trwałość. Peter i współpracownicy zidentyfikowali samobójcze/zabójcze cząsteczki RNA (siRNA, shRNA, miRNA, kompleks siRNA+miRNA) w wielu typach nowotworów. Ponadto wykazali, że specyficzne toksyczne sekwencje RNAi-aktywne obecne w genomie mogą zabijać komórki nowotworowe. Rozowsky i współpracownicy stworzyli kompleksową platformę analityczną do profilowania pozakomórkowego RNA o nazwie „exceRpt” .

Murillo i współpracownicy stworzyli analizę exRNA Atlas i zbadali, w jaki sposób RNA przekazuje informacje poprzez komunikację komórka-komórka, znaną jako pozakomórkowe RNA lub exRNA . Co więcej, zidentyfikowali złożoność etapów transportu cząsteczek exRNA, rodzaje, nośniki między komórkami, komórki docelowe i funkcje, a także odkryli, że nawet rodzaj nośnika wpływa na to, jak wiadomości exRNA są wysyłane i odbierane, co może sugerować potencjalne nowe biomarkery związane z chorobami i cele terapeutyczne. Do tej pory potencjalne biomarkery pochodzenia exRNA zostały zidentyfikowane w 13 płynach biologicznych, takich jak osocze, ślina i mocz, w ponad 50 000 próbek pobranych od ponad 2000 dawców, dla prawie 30 chorób, w tym chorób układu krążenia, chorób mózgu i ośrodkowego układu nerwowego, powikłań ciąży, jaskry, cukrzycy, chorób autoimmunologicznych i wielu rodzajów nowotworów. Tak więc, profile exRNA może być zindywidualizowane źródło i dla spersonalizowanego leczenia różnych chorób.

Przykłady obecnych i przyszłych zastosowań w medycynie molekularnej może również obejmować DNA / RNA chipy, peptyd / przeciwciała tablice, aptamer / antykor oparte immunoassays, i / lub systemów czujników do badań przesiewowych choroby, diagnostyki i monitorowania. Opracowano narzędzia/urządzenia molekularne, takie jak lab-on-chips połączone z czujnikami wykorzystującymi techniki mikromacierzy, które są w stanie przeprowadzić stratyfikację pacjentów w oparciu o określone cechy kliniczne i molekularne. Ocenia się, że narzędzia te wychwytują bardzo niskie stężenia substancji biochemicznych we wczesnej fazie choroby i prowadzą do skutecznego/wrażliwego leczenia oraz eliminują i/lub ograniczają nadmierne/niedostateczne leczenie i skutki uboczne .