Användningsområde för OMICS teknik inom molekylärmedicin

Omics-baserade metoder har förbättrats avsevärt på senare tid genom tillägg av nya begrepp som exponom/exposomik, studiet av miljöexponering, för att avslöja miljöns roll i mänskliga sjukdomar. Dessutom har adduktomik, studiet av föreningar som binder DNA och orsakar skador och mutationer, och volatilomik, studiet av flyktiga organiska föreningar, nyligen lagts till metabolomik/lipidomik-analysen för omfattande forskning om metabolomet. Exponomet är en persons totala livsstil och miljöexponering, som ännu inte är välkänd. Forskare från NIH, Dr Chao Jiang och hans kollegor, har utvecklat en metod för att fånga och kartlägga en individs ”exponom” – enligt konceptet ”exponering av människans exponom – varje andetag du tar berättar exponomet var du har varit och när”. Dessutom har de konstruerat en bärbar, batteridriven anordning som består av sensorer, en uppsamlingsbehållare med filter och en pump som simulerar mänsklig andning för att kunna spåra och kvantifiera personlig miljöexponering. Sensorerna kan upptäcka olika partiklar som biologiska ämnen (biotika), kemikalier (abiotika), tobaksrök och bilavgaser. De har upptäckt mer än 2 500 arter, däribland bakterier, svampar, växter, metazoer och mer än 200 virus. En av dem kallades anmärkningsvärt nog ”brochosome” som på sätt och vis ser ut som viruspartiklar, men det är i själva verket en slags hydrofob protein/lipidblandning som tillverkas av insekter som en vattentät mekanism på deras kropp.

Systembiologi, som kan definieras som integrationen av omikbaserade system, är ett hypotesgenererande tillvägagångssätt, medan den klassiska biologin är hypotesdriven . Bioinformatik är tillämpningen av beräkningsverktyg och analyser som används för att fånga, lagra och tolka biologiska data. Med fokus på storskaliga data/information som erhålls från en omfattande, eller global, bedömning av en uppsättning molekyler, används bioinformatikverktyg sedan för att analysera den multidimensionella datamängden för att avslöja biosignaturer för metabotyper, proteotyper och DNA-RNA-paneler.

Analys av multi-omikbaserade tekniker med hjälp av systembiologi, bioinformatik och beräkningskapacitet gör det möjligt för oss att förstå mångfalden av sjukdomar, den molekylära heterogeniteten hos komplexa patologier, mekanismen som är involverad i sjukdomsutveckling och läkemedelsresistens. Därefter har förbättringar gjorts i utvecklingen av molekylärbaserad screening, tidig upptäckt och övervakningssystem samt personliga behandlingsstrategier . Omikbaserad integrativ identifiering och karakterisering av biomarkörmål och deras kliniska översättning är nödvändig för att utveckla omfattande profilering, riskstratifiering och framtida cellinriktade tidiga interventions- och behandlingsstrategier. För tio år sedan etablerades för första gången en ”multi-omik”-strategi för sjukdom genom integrativ analys av ”enskilda omik-plattformar”, vilket har varit ett paradigmskifte för den personaliserade medicinen. Chakraborty och medarbetare har på detta sätt framgångsrikt dokumenterat ”onco-multi-omics”-metoden inom cancerforskningen . Systembiologiskt integrerade multikomiska metoder med hög genomströmning har använts för att förstå den fullständiga molekylära biosignaturen för hälsa och sjukdom.

En korrekt bestämning och validering av sjukdomsrelaterade biomarkörer kräver utveckling av system för biologiska arkiv med en stor samling och lagring av patienters biologiska material, t.ex. vävnader, blod och andra kroppsvätskor, och väl annoterade kliniska och patologiska data . På så sätt möjliggör biobankssystem en integrering av grundforskning, translationell forskning och klinisk forskning för att leda till upptäckten av hindrade relevanta biomarkörer och framväxande personliga diagnostiska/terapeutiska strategier på tillförlitliga stora provstorlekar som är förknippade med specifika sjukdomar . I en annan aspekt belyser en nyligen publicerad ledare i Nature (2019) kritiskt att fokusera på att studera friska individer i biobanker snarare än människor med sjukdomar för att bättre förstå den exakta definitionen av hälsa med alla dess manifestationer . Projekt som ”100K Wellness Project” och ”The All of Us Research Program” har producerat nästa generations sekvenseringsdata genom prover från friska individer för att erhålla molekylära, livsstilsrelaterade och miljömässiga mätningar (http://allofus.nih.gov/), särskilt för framtida studier om läkemedelsutveckling.

Genomisk mångfald och molekylär heterogenitet av komplexa sjukdomar skymmer upptäckten av teranostiska, prognostiska och prediktiva biomarkörer samt deras översättning till personaliserad medicin på encellsnivå. I detta avseende har lovande studier av enstaka celler utgjort ett annat framväxande koncept inom den molekylära medicinen. Analyser på encellsnivå har föreslagits vara avgörande för en bättre och exakt anrikning av biomarkörer med anknytning till komplexa, heterogena sjukdomar . Omikbaserade analyser på encellsnivå omfattar epi/genomik, epi/transkriptomik, epi/proteomik och metabolomik/lipidomik. Dessa tekniker har underlättat vår förståelse av variationer, interaktioner, biologiska funktioner och sjukdomsheterogenitet på encellnivå, vilket banar väg för ett smart hälsovårdssystem baserat på personlig medicin . På senare tid har ett av de hetaste forskningsområdena uppstått som molekylär karakterisering av cirkulerande biomarkörer bestående av cirkulerande tumörceller (CTC), cellfritt DNA (cfDNA) och/eller exosomer som vätskebiopsier för att bedöma sjukdomshantering och utveckling i realtid . Exosomer har beskrivits som mikrovesiklar (50-150 nm) som släpps ut i det extracellulära området av en mängd olika celler. Exosomer innehåller intakta oligonukleotider, proteiner och metaboliter och har identifierats i ett stort antal biovätskor, bland annat serum, urin, plasma, bröstmjölk, saliv, pleurautgjutningar, bronchoalveolär lavagevätska, ögonprover, tårar, nasal lavagevätska, sperma, synovialvätska, amnionvätska och graviditetsassocierat serum . I och med utvecklingen av omiktekniker med hög genomströmning har flytande biopsi blivit en viktig del av icke-invasiva eller minimalt invasiva tillämpningar av lättillgängliga biovätskor för att upptäcka sjukdomsassocierade CTC:er för diagnostik, övervakning och terapeutiska metoder. Isolering, upptäckt och molekylär karakterisering av CTCs har utförts vid en rad olika sjukdomar, främst cancer. På grund av den höga heterogenitet och resistens mot behandling som observerats i tumörbiologin möjliggör CTC-karakterisering av enstaka celler klinisk profilering och riktade behandlingsstrategier och övervakning.

Molekylärmedicinska tillämpningar har inte bara förbättrat den grundläggande förståelsen av sjukdomsmekanismen, utan har också bidragit till förståelsen av läkemedelsverkningsmekanismen, identifiering av teranostiska mål och därmed ett paradigmskifte inom läkemedelsupptäckten . Molekylär teranostik kan definieras som integrering av sjukdomsdiagnos och behandling med samma molekylära mål. Lovande oligonukleotidbaserade (DNA eller RNA) terapier och vacciner, t.ex. genterapi, DNA-vacciner och RNA-läkemedel, har framgångsrikt utvecklats under de senaste två decennierna med hjälp av antikroppar och aptamerer. När det gäller DNA används virala eller bakteriella vektorer och polymera material som polylaktic-co-glykolsyra (PLGA), kitosan och polyetylenimin (PEI) har använts för effektiv leverans. Aptamerer eller antikroppar kan konjugeras till teranostiska biomarkörer och nanomaterial för specifik inriktning . Aptamerbaserade tillämpningar omfattar avbildning, riktad läkemedelsleverans och behandling, t.ex. riktad fototerapi, genterapi och kemoterapi . Begränsningar när det gäller giftfri specifik inriktning och leverans uppmuntrade forskarna att använda läkemedelsbärare som liposomer och nanopartiklar för inkapsling av oligonukleotidterapier . Studier på vissa tumörtyper som lungor, bukspottkörtel och bröst har visat på framgångsrika resultat med inkapslade antisense-oligonukleotider . RNA-oligonukleotider med hjälp av tekniken för antisense-genstämpling har gett lovande resultat när det gäller att hämma sjukdomsrelaterat mRNA-genuttryck. RNA-terapier, inklusive antisense-RNA, små interfererande RNA (siRNA) och anti-miRNA (anti-miRNA) är lovande för behandling av ett antal sjukdomar, inklusive kroniska komplexa sjukdomar. Dessutom har deras effekt utvärderats i de olika utvecklingsstadierna, från prekliniska till kliniska fas III-försök. De största utmaningarna när det gäller effektiv leverans är bland annat biokompatibilitet, skydd mot nukleaser, distributionsplats och persistens. Peter och hans kolleger har identifierat RNA-molekyler för självmord/dödande behandling (siRNA, shRNA, miRNA, siRNA+miRNA-komplex) för ett stort antal cancertyper. Dessutom har de visat att specifika giftiga RNAi-aktiva sekvenser som finns i genomet kan döda cancerceller . Rozowsky och medarbetare har skapat en omfattande analytisk plattform för extracellulär RNA-profilering kallad ”exceRpt” .

Murillo och medarbetare har skapat exRNA-atlasanalys och utforskat hur RNA överför information genom kommunikation från cell till cell, känt som extracellulärt RNA eller exRNA . Dessutom har de identifierat komplexiteten i stegen för transport av exRNA-molekyler, typer, bärare mellan celler, målceller och funktioner, och funnit att till och med typen av bärare påverkade hur exRNA-meddelanden sändes och togs emot, vilket kan ge förslag på potentiella nya sjukdomsassocierade biomarkörer och terapeutiska mål. Hittills har potentiella biomarkörer som har sitt ursprung i exRNA identifierats i 13 biovätskor som plasma, saliv och urin i över 50 000 prover från över 2 000 givare för nästan 30 sjukdomar, däribland hjärt- och kärlsjukdomar, sjukdomar i hjärnan och det centrala nervsystemet, graviditetskomplikationer, grön starr, diabetes, autoimmuna sjukdomar och flera olika typer av cancer. Således skulle exRNA-profiler kunna vara en individualiserad källa och för personlig behandling av olika sjukdomar.

Exempel på nuvarande och framtida tillämpningar inom molekylärmedicin kan också omfatta DNA/RNA-chips, peptid/antikroppsarrayer, aptamer/antikor-baserade immunoassays och/eller sensorsystem för sjukdomsscreening, diagnos och övervakning. Molekylära verktyg/anordningar, t.ex. lab-on-chips i kombination med sensorer med hjälp av mikroarrayteknik, har utvecklats för att kunna stratifiera patienter på grundval av specificerade kliniska och molekylära egenskaper . Dessa verktyg bedöms kunna fånga upp mycket låga koncentrationer av biokemiska ämnen i den tidiga sjukdomsfasen och resultera i effektiv/känslig behandling och utrota och/eller minska över-/underbehandling och biverkningar.