Campo de aplicação da tecnologia OMICS em medicina molecular

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As abordagens baseadas em OMICS foram significativamente melhoradas recentemente com a adição de conceitos inovadores como a exposição/exposição, o estudo da exposição ambiental, para desvendar o papel do ambiente nas doenças humanas. Além disso, a adição de aductomics, o estudo de compostos que ligam o DNA e causam danos e mutações, e volatilomics, o estudo de compostos orgânicos voláteis para a análise metabólica/lipidômica para uma pesquisa abrangente do metaboloma têm surgido recentemente. Exposome é o estilo de vida total e as exposições ambientais de uma pessoa, o que ainda não é bem compreendido. Pesquisadores do NIH, Dr. Chao Jiang e seus colegas, desenvolveram um método para capturar e mapear a “exposição” de um indivíduo – sob o conceito “expondo a exposição humana – toda vez que você respira, a exposição diz onde você esteve e quando”. Além disso, eles projetaram um dispositivo portátil, alimentado por bateria, que inclui sensores, um recipiente de coleta com filtro e uma bomba que simula a respiração humana para poder rastrear e quantificar as exposições ambientais pessoais. Os sensores podem detectar diferentes partículas, tais como partículas biológicas (bióticos), químicas (abióticos), fumaça de tabaco e fumos de automóveis. Eles detectaram mais de 2500 espécies, incluindo bactérias, fungos, plantas, metazoários, e mais de 200 vírus. Um deles foi notavelmente chamado de “brochossoma” que se parece com partículas virais, de certa forma, mas na verdade é algum tipo de mistura hidrofóbica de proteína/lipídio feita por insetos como um mecanismo impermeável em seu corpo.

Biologia de sistemas, pode ser definida como a integração de sistemas baseados em ômicos, é uma abordagem geradora de hipóteses, enquanto que a biologia clássica é orientada por hipóteses. A bioinformática é a aplicação de ferramentas computacionais e análises usadas para capturar, armazenar e interpretar dados biológicos. Com foco em dados/informações em larga escala obtidos a partir de uma avaliação abrangente, ou global, de um conjunto de moléculas, ferramentas bioinformáticas são então utilizadas para analisar a quantidade multidimensional de dados para revelar o metabótipo, proteótipo e bioassinaturas do painel DNA-RNA.

Análise de tecnologias baseadas em multitomia através da biologia de sistemas, bioinformática e poder computacional nos permite compreender a diversidade de doenças, heterogeneidade molecular de patologias complexas, mecanismo envolvido na progressão de doenças e resistência a drogas. Posteriormente, foram feitas melhorias no desenvolvimento de sistemas de triagem molecular, detecção precoce e monitoramento, assim como estratégias de tratamento personalizadas. A identificação e caracterização integrada baseada em ômicos de alvos biomarcadores e suas traduções clínicas são essenciais para desenvolver um perfil abrangente, estratificação de risco, futuras estratégias intervencionistas e terapêuticas precoces com alvos celulares. Estabelecida pela primeira vez, há uma década, a abordagem “multi-económica” da doença através da análise integrativa de “plataformas ómicas únicas” tem sido uma mudança de paradigma atribuída à medicina personalizada . Desta forma, Chakraborty e colegas documentaram com sucesso a abordagem “onco-multi-ómica” na investigação do cancro . A abordagem multi-multi-ómica integrada da biologia de sistemas tem sido dedicada a compreender a biosignatura molecular completa da saúde e da doença.

A determinação e validação precisas de biomarcadores relacionados com a doença requerem o desenvolvimento de sistemas biorepositórios com uma grande colecção e armazenamento de bioespécimes do paciente, tais como tecidos, sangue e outros fluidos corporais, e dados clínicos e patológicos bem anotados . Desta forma, os sistemas biorepositórios permitem a integração de pesquisa básica, translacional e clínica para liderar a descoberta de biomarcadores relevantes dificultados e estratégias diagnósticas/terapêuticas personalizadas emergentes sobre grandes amostras confiáveis associadas a doenças específicas . Em outro aspecto, um editorial recente da Nature (2019) destaca criticamente o foco no estudo de biobancos de indivíduos saudáveis em vez de pessoas com doenças para melhor entender a definição exata de saúde com todas as suas manifestações . Projetos como “100K Wellness Project” e “The All of Us Research Program” têm produzido dados de sequenciamento de próxima geração através de espécimes de indivíduos saudáveis para obter medidas moleculares, de estilo de vida e ambientais (http://allofus.nih.gov/), em particular para futuros estudos de descoberta de medicamentos.

Diversidade genética e heterogeneidade molecular de doenças complexas obscurecem a descoberta de biomarcadores termoanóticos, prognósticos e preditivos, bem como sua tradução em medicina personalizada em nível de célula única. Neste aspecto, os promissores estudos unicelulares formaram outro conceito emergente no campo da medicina molecular. A análise monocelular tem sido sugerida como crucial para um melhor e preciso enriquecimento dos biomarcadores relacionados com a complexa natureza heterogênea das doenças. A análise baseada em ômicos em nível de célula única compreende as abordagens epi/genômica, epi/transcriptômica, epi/proteômica, e metabolômica/lipidômica. Essas tecnologias facilitaram nossa compreensão de variações, interações, funções biológicas e heterogeneidade de doenças em nível de célula única, o que abre o caminho para um sistema de saúde inteligente baseado em medicina personalizada. Ultimamente, um dos campos de pesquisa mais quentes surgiu como caracterização molecular de biomarcadores circulantes compostos de células tumorais circulantes (CTCs), DNA livre de células (cfDNA) e/ou exossomos como biópsias líquidas para avaliar o gerenciamento e a evolução de doenças em tempo real. Os exossomas têm sido descritos como microvesículas (50-150 nm) liberadas na região extracelular por uma variedade de células. Os exossomos contêm oligonucleotídeos intactos, proteínas e metabolitos e foram identificados numa vasta gama de biofluidos, incluindo soro, urina, plasma, leite materno, saliva, derrames pleurais, líquido de lavagem broncoalveolar, amostras oculares, lacerações, líquido de lavagem nasal, sémen, líquido sinovial, líquido amniótico e soro associado à gravidez. Com o desenvolvimento de tecnologias ômicas de alto rendimento, a biópsia líquida se instalou no centro de aplicações não invasivas ou minimamente invasivas de biofluidos facilmente acessíveis para detectar CTCs associados a doenças para diagnósticos, monitoração e abordagens terapêuticas. Isolamento, detecção e caracterização molecular de CTCs têm sido realizados em uma variedade de doenças, principalmente em cancros. Devido à alta heterogeneidade e resistência ao tratamento observada na biologia tumoral, a caracterização de CTCs unicelulares permite a caracterização clínica e estratégias de tratamento e monitoramento direcionados.

As aplicações da medicina molecular não só melhoraram a compreensão básica do mecanismo da doença, mas também contribuíram para a compreensão do mecanismo de ação do medicamento, identificação de alvos termoanóticos e, portanto, uma mudança de paradigma na descoberta de medicamentos. Os teranósticos moleculares podem ser definidos como a integração do diagnóstico e tratamento da doença com o mesmo alvo molecular. Terapêuticas e vacinas promissoras baseadas em oligonucleotídeos (DNA ou RNA), tais como terapia genética, vacinas de DNA e medicamentos de RNA, foram desenvolvidas com sucesso nas últimas 2 décadas, utilizando anticorpos e aptos. Em relação ao DNA, são usados vetores virais ou bacterianos e materiais poliméricos como o ácido poli lático-coglicólico (PLGA), quitosano e polietilenimina (PEI) têm sido aplicados para uma entrega eficiente. Aptamers ou anticorpos podem ser conjugados a biomarcadores e nanomateriais termo-anásticos para alvos específicos . As aplicações baseadas em aptamer incluem imagens, administração de medicamentos específicos e tratamento como fototerapia, terapia genética e quimioterapia. Limitações na orientação específica não tóxica e na entrega incentivaram os pesquisadores a usar portadores de drogas como lipossomas e nanopartículas para encapsular a terapêutica oligonucleotídica . Estudos sobre alguns tipos de tumor, incluindo pulmão, pâncreas e mama, demonstraram resultados bem sucedidos com oligonucleotídeos encapsulados antisensos . Oligonucleotídeos RNA usando a tecnologia de silenciamento do gene antisense tem dado resultados promissores para inibir a expressão do gene mRNA relacionado à doença. A terapêutica do RNA, incluindo o RNA antisenso, o RNA pequeno interferente (siRNA) e o anti-miRNA (anti-miRNA) são promissores para o tratamento de uma série de doenças, incluindo doenças crónicas complexas. Além disso, o seu impacto tem sido avaliado nas diferentes fases de desenvolvimento, desde os ensaios clínicos pré-clínicos até à Fase III. Os principais desafios que se colocam no que diz respeito a uma entrega eficiente incluem biocompatibilidade, protecção contra nucleases, localização da distribuição e persistência. Peter e seus colegas identificaram moléculas de RNA suicida/machuco (siRNA, shRNA, miRNA, complexo siRNA+miRNA) em numerosos tipos de câncer. Além disso, eles mostraram que sequências tóxicas específicas de RNAi-activas presentes no genoma podem matar células cancerígenas. Rozowsky e seus colegas geraram uma plataforma analítica abrangente para o perfil de RNA extracelular chamada “excRpt” .

Murillo e seus colegas criaram o exRNA Análise do Atlas e exploraram como o RNA transmite informações através da comunicação célula a célula, conhecida como RNA extracelular ou exRNA . Além disso, eles identificaram complexidade nas etapas de transporte de moléculas, tipos, portadores entre células, células-alvo e funções do exRNA, e descobriram que mesmo o tipo de portador afetou como as mensagens do exRNA foram enviadas e recebidas, o que pode sugerir potenciais biomarcadores e alvos terapêuticos associados à doença. Até o momento, biomarcadores potenciais originados por exRNA foram identificados em 13 biofluidos como plasma, saliva e urina em mais de 50.000 amostras de mais de 2000 doadores para quase 30 doenças, incluindo doenças cardiovasculares, doenças do cérebro e do sistema nervoso central, complicações na gravidez, glaucoma, diabetes, doenças auto-imunes e múltiplos tipos de câncer. Assim, perfis exRNA podem ser uma fonte individualizada e para tratamento personalizado de várias doenças.

Exemplos de aplicações atuais e futuras na medicina molecular também podem incluir chips de DNA/RNA, matrizes de peptídeos/anticorpos, imunoensaios baseados em aptamer/antikor, e/ou sistemas sensores para triagem, diagnóstico e monitoramento de doenças. Ferramentas/dispositivos moleculares, tais como lab-on-chips combinados com sensores usando técnicas de microarranjo, foram desenvolvidos que são capazes de realizar estratificação de pacientes com base em características clínicas e moleculares especificadas. Essas ferramentas são avaliadas para capturar concentrações muito baixas de substâncias bioquímicas na fase inicial da doença e resultam em tratamento eficaz/sensível e erradicam e/ou reduzem o tratamento excessivo/interessante e os efeitos colaterais .