Câmp de aplicare a tehnologiei OMICS în medicina moleculară

Abordările bazate pe medicina moleculară au fost îmbunătățite în mod semnificativ în ultima vreme prin adăugarea unor concepte noi, cum ar fi expunerea/expozomica, studiul expunerii la mediul înconjurător, pentru a desluși rolul mediului în bolile umane. În plus, adăugarea adductomicii, studiul compușilor care se leagă de ADN și provoacă daune și mutații, și a volatilomicii, studiul compușilor organici volatili la analiza metabolomică/lipidomică pentru o cercetare cuprinzătoare a metabolomului au apărut recent . Expozomul reprezintă totalitatea expunerilor unei persoane la stilul de viață și la mediul înconjurător, care nu este încă bine înțeles. Cercetătorii de la NIH, Dr. Chao Jiang și colegii săi, au dezvoltat o metodă de captare și cartografiere a „exposomei” unui individ – sub conceptul „expunerea expunerii umane – fiecare respirație pe care o faceți, exposome spune unde ați fost și când”. Mai mult, ei au conceput un dispozitiv portabil, alimentat cu baterii, care cuprinde senzori, un recipient de colectare cu filtru și o pompă care simulează respirația umană pentru a putea urmări și cuantifica expunerile personale la mediu. Senzorii pot detecta diferite particule, cum ar fi cele biologice (biotice), chimice (abiotice), fumul de tutun și vaporii de automobile. Ei au detectat peste 2500 de specii, inclusiv bacterii, ciuperci, plante, metazoare și peste 200 de viruși. Unul dintre acestea a fost numit în mod remarcabil „brochosom”, care arată ca niște particule virale, într-un fel, dar este de fapt un fel de amestec hidrofob de proteine/lipide realizat de insecte ca un mecanism de impermeabilizare a corpului lor.

Biologia sistemelor, poate fi definită ca integrarea sistemelor bazate pe omics, este o abordare generatoare de ipoteze, în timp ce biologia clasică este bazată pe ipoteze . Bioinformatica este aplicarea instrumentelor și analizelor computaționale utilizate pentru a capta, stoca și interpreta datele biologice. Concentrându-se pe date/informații pe scară largă obținute dintr-o evaluare cuprinzătoare, sau globală, a unui set de molecule, instrumentele bioinformatice sunt apoi utilizate pentru a analiza cantitatea multidimensională de date pentru a dezvălui biosemnăturile metabiotipului, proteotipului și panoului ADN-ARN.

Analiza tehnologiilor bazate pe multi-omică prin biologia sistemelor, bioinformatică și puterea de calcul ne permite să înțelegem diversitatea bolilor, eterogenitatea moleculară a patologiilor complexe, mecanismul implicat în progresia bolii și rezistența la medicamente. Ulterior, s-au făcut îmbunătățiri în dezvoltarea sistemelor de screening, de detectare precoce și de monitorizare bazate pe molecule, precum și a strategiilor de tratament personalizat . Identificarea și caracterizarea integrativă bazată pe omică a țintelor biomarkerilor și traducerile clinice ale acestora sunt esențiale pentru a dezvolta profiluri cuprinzătoare, stratificarea riscului, viitoare strategii terapeutice și de intervenție timpurie și de intervenție timpurie cu țintă celulară. Stabilită pentru prima dată, în urmă cu un deceniu, abordarea „multi-omică” a bolilor prin analiza integrativă a „platformelor omice unice” a reprezentat o schimbare de paradigmă atribuită medicinei personalizate . În acest fel, Chakraborty și colegii au documentat cu succes abordarea „onco-multi-omică” în cercetarea cancerului . Abordarea multi-omică de mare randament integrată în biologia sistemelor a fost dedicată înțelegerii biosemnăturii moleculare complete a sănătății și a bolii.

Determinarea și validarea precisă a biomarkerilor legați de boală necesită dezvoltarea unor sisteme de biorezervoare cu o colecție mare și o stocare a specimenelor biologice ale pacienților, cum ar fi țesuturi, sânge și alte fluide corporale, precum și date clinice și patologice bine adnotate . În acest fel, sistemele de biodepozite permit integrarea cercetării de bază, translaționale și clinice pentru a conduce la descoperirea de biomarkeri relevanți împiedicați și de strategii de diagnosticare/terapie personalizate emergente pe eșantioane mari fiabile asociate cu boli specifice . Într-un alt aspect, un editorial recent al Nature (2019) evidențiază în mod critic concentrarea pe pentru a studia biobancuri de indivizi sănătoși mai degrabă decât persoane cu boli pentru a înțelege mai bine definiția exactă a sănătății cu toate manifestările sale . Proiecte precum „100K Wellness Project” și „The All of Us Research Program” au produs date de secvențiere de generație următoare prin intermediul specimenelor de la indivizi sănătoși pentru a obține măsurători moleculare, de stil de viață și de mediu (http://allofus.nih.gov/), în special pentru viitoarele studii de descoperire a medicamentelor.

Diversitatea genomică și eterogenitatea moleculară a bolilor complexe întunecă descoperirea biomarkerilor teranostici, prognostici și predictivi, precum și transpunerea lor în medicina personalizată la nivelul unei singure celule. În acest sens, studiile promițătoare pe celule unice au format un alt concept emergent în domeniul medicinei moleculare. S-a sugerat că analiza la nivel de celulă unică este esențială pentru o îmbogățire mai bună și mai precisă a biomarkerilor legați de natura eterogenă și complexă a bolilor. Analiza bazată pe omică la nivel de celulă unică cuprinde abordări epi/genomice, epi/transcriptomice, epi/proteomice și metabolomice/lipidomice. Aceste tehnologii ne-au facilitat înțelegerea variațiilor, a interacțiunilor, a funcțiilor biologice și a eterogenității bolilor la nivelul unei singure celule, ceea ce deschide calea pentru un sistem de sănătate inteligent bazat pe medicina personalizată . În ultima vreme, unul dintre cele mai fierbinți domenii de cercetare a apărut ca fiind caracterizarea moleculară a biomarkerilor circulanți compuși din celule tumorale circulante (CTC), ADN liber celular (cfDNA) și/sau exosomi ca biopsii lichide pentru a evalua managementul și evoluția bolii în timp real . Exozomii au fost descriși ca microvezicule (50-150 nm) eliberate în regiunea extracelulară de către o varietate de celule. Exozomii conțin oligonucleotide, proteine și metaboliți intacți și au fost identificați într-o gamă largă de biofluide, inclusiv ser, urină, plasmă, lapte matern, salivă, efuzii pleurale, lichid de lavaj bronhoalveolar, probe oculare, lacrimi, lichid de lavaj nazal, spermă, lichid sinovial, lichid amniotic și ser asociat sarcinii . Odată cu dezvoltarea tehnologiilor omice de mare randament, biopsia lichidă s-a stabilit în centrul aplicațiilor neinvazive sau minim invazive ale biofluidelor ușor accesibile pentru a detecta CTC-urile asociate bolilor pentru abordări de diagnostic, monitorizare și terapeutice. Izolarea, detectarea și caracterizarea moleculară a CTC-urilor au fost efectuate într-o varietate de boli, mai ales în cazul cancerelor. Datorită eterogenității ridicate și a rezistenței la tratament observate în biologia tumorală, caracterizarea CTC monocelulară permite crearea de profiluri clinice și strategii de tratament țintit și monitorizare.

Aplicațiile medicinei moleculare nu numai că au îmbunătățit înțelegerea de bază a mecanismului bolii, dar au contribuit, de asemenea, la înțelegerea mecanismului de acțiune a medicamentelor, la identificarea țintelor teranozice și, prin urmare, la o schimbare de paradigmă în descoperirea medicamentelor . Teranostica moleculară poate fi definită ca fiind integrarea diagnosticului și tratamentului bolii cu aceeași țintă moleculară. În ultimele două decenii au fost dezvoltate cu succes terapii și vaccinuri promițătoare bazate pe oligonucleotide (ADN sau ARN), cum ar fi terapia genică, vaccinurile pe bază de ADN și produsele farmaceutice pe bază de ARN, folosind anticorpi și aptameri. În ceea ce privește ADN-ul, se utilizează vectori virali sau bacterieni, iar materialele polimerice, cum ar fi acidul polilactic-co-glicolic (PLGA), chitosanul și polietilenimina (PEI), au fost aplicate pentru o livrare eficientă . Aptamerii sau anticorpii pot fi conjugați cu biomarkerii și nanomaterialele teranozice pentru o direcționare specifică . Printre aplicațiile bazate pe aptameri se numără imagistica, administrarea de medicamente direcționate și tratamente precum fototerapia direcționată, terapia genică și chimioterapia . Limitările în ceea ce privește direcționarea și livrarea specifică netoxică au încurajat cercetătorii să utilizeze purtători de medicamente, cum ar fi lipozomii și nanoparticulele pentru încapsularea substanțelor terapeutice oligonucleotide . Studiile asupra unor tipuri de tumori, inclusiv plămân, pancreas și sân, au demonstrat rezultate de succes cu oligonucleotide antisens încapsulate . Oligonucleotidele ARN care utilizează tehnologia de reducere la tăcere a genei antisens au dat rezultate promițătoare pentru a inhiba expresia genetică ARNm legată de boli. ARN terapeutice, inclusiv ARN antisens, ARN de interferență mică (siARN) și anti-miARN (anti-miR) sunt promițătoare pentru tratamentul unui număr de boli, inclusiv al bolilor cronice complexe. Mai mult, impactul acestora a fost evaluat în diferite stadii de dezvoltare, de la studii preclinice la studii clinice de fază III . Provocările majore care se referă la livrarea eficientă includ biocompatibilitatea, protecția împotriva nucleazelor, localizarea distribuției și persistența. Peter și colegii săi au identificat molecule de ARN sinucigaș/molecule de ARN ucigaș (siRNA, shRNA, miRNA, complex siRNA+miRNA) pe numeroase tipuri de cancer. În plus, au demonstrat că anumite secvențe toxice specifice RNAi-active prezente în genom pot ucide celulele canceroase . Rozowsky și colegii săi au generat o platformă analitică cuprinzătoare pentru profilarea ARN extracelulară numită „exceRpt” .

Murillo și colegii săi au creat exRNA Atlas Analysis și au explorat modul în care ARN-ul transmite informații prin comunicarea de la celulă la celulă, cunoscut sub numele de ARN extracelular sau exRNA . Mai mult decât atât, ei au identificat complexitatea etapelor de transport al moleculelor de exRNA, a tipurilor, a purtătorilor între celule, a celulelor țintă și a funcțiilor și au constatat că până și tipul de purtător a afectat modul în care mesajele exRNA au fost trimise și primite, ceea ce poate sugera potențiali noi biomarkeri asociați cu boli și ținte terapeutice. Până în prezent, au fost identificați potențiali biomarkeri originari de exARN în 13 biofluide, cum ar fi plasma, saliva și urina, în peste 50 000 de probe de la peste 2 000 de donatori, pentru aproape 30 de boli, inclusiv boli cardiovasculare, boli ale creierului și ale sistemului nervos central, complicații ale sarcinii, glaucom, diabet, boli autoimune și mai multe tipuri de cancer. Astfel, profilurile de exARN ar putea fi o sursă individualizată și pentru tratamentul personalizat al diferitelor boli.

Exemple de aplicații actuale și viitoare în medicina moleculară pot include, de asemenea, cipuri de ADN/ARN, matrici de peptide/anticorpi, imunoanalize bazate pe aptameri/anticorpi, și/sau sisteme de senzori pentru depistarea, diagnosticarea și monitorizarea bolilor. Au fost dezvoltate instrumente/dispozitive moleculare, cum ar fi lab-on-chips combinate cu senzori care utilizează tehnici de micro-array, care sunt capabile să realizeze stratificarea pacienților pe baza unor caracteristici clinice și moleculare specificate . Instrumentele respective sunt evaluate pentru a capta concentrații foarte scăzute de substanțe biochimice în faza incipientă a bolii și au ca rezultat un tratament eficace/sensibil și eradică și/sau reduc tratamentul excesiv/insuficient, precum și efectele secundare .