مقدمه‌ای بر علم متابولومیک و کاربردهای آن در علوم مختلف

متابولومیک (metabolomics) به علم مطالعه متابولیت‌های درون‌زا و برون‌زا در سیستم‌های بیولوژیکی گفته می‌شود. هدف آن ارائه اطلاعات نیمه کمی و مقایسه‌ای در مورد تمام متابولیت‌های موجود در سیستم زنده است. متابولومیک یک ابزار نوظهور و بالقوه قدرتمند در تحقیقات است. بنابراین برای متخصصان و محققان درگیر در سلامت مردم مهم است که اصول اولیه آزمایش‌های متابولومیک را درک کنند.

در بدن انسان، ژن‌ها تعیین می‌کنند که چه اتفاقی ممکن است رخ دهد و متابولیت‌ها آن چیزی را که اتفاق افتاده است تعریف می‌کنند. هدف از علم متابولومیک ارائه اطلاعات نیمه کمی در مورد فراوانی متابولیت‌ها در یک سیستم بیولوژیکی است.

با توجه به اهمیت این موضوع در حوزه های مختلف پزشکی، در این مطلب قصد داریم مقدمه‌ای بر متابولومیک و اصول آن را بیان کنیم. پس در ادامه با ما همراه باشید.

متابولومیک چیست؟

متابولومیک به عنوان یک رویکرد مکمل برای ژنومیکس، ترانس کریپتومیکس و پروتئومیکس استفاده می‌شود و جدیدترین تکنیک توسعه یافته است. متابولومیک، در 10 سال گذشته، به یک روش تجربی جذاب برای مطالعه پاتوژنز بیماری تبدیل شده است. اگرچه هنوز یک روش نسبتاً جدید در مقایسه محسوب می‌شود.

متابولومیک در واقع تجزیه و تحلیل متابولوم با توان بالا است. متابولوم به مجموعه‌ای از مولکول‌های کوچک در یک نمونه بیولوژیکی، مانند سلول‌ها، بافت‌ها یا مایعات بیولوژیکی گفته می‌شود. این مولکول‌ها یا متابولیت‌ها، محصولات واسطه‌ای از واکنش‌های متابولیک هستند و برای سلول‌ها مورد نیاز هستند. متابولیت‌ها معمولاً کمتر از 1500 دالتون وزن  دارند و شامل طیف وسیعی از ترکیبات مختلف مانند اسیدهای آمینه، لیپیدها، اسیدهای چرب، استروئیدها، ویتامین ها، مواد معدنی، داروها و کربوهیدرات‌ها هستند.

داده‌های متابولومیک چگونه تولید و تجزیه و تحلیل می‌شود؟

دانشمندان داده‌های متابولومیک را با استفاده از ابزارهایی به نام طیف سنج تولید می‌کنند. نمونه‌های آماده شده را می‌توان تحت روش‌های مختلف طیف سنجی جرمی قرار داد. مانند طیف سنجی جرمی کروماتوگرافی گازی (GC-MS) یا طیف سنجی جرمی کروماتوگرافی مایع (LC-MS). دانشمندان همچنین می‌توانند آنالیزهای متابولومیک را با استفاده از طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) انجام دهند، که فرکانس تشدید ویژه نمونه‌ها را هنگامی که در معرض میدان مغناطیسی متفاوت قرار می‌گیرند، اندازه‌گیری می‌کند.

پس از اینکه این پلتفرم‌ها متابولیت‌ها را در یک نمونه شناسایی کردند، داده‌های حاصل از قبل پردازش شده و نرمال می‌شوند. اگر متابولیت‌های موجود در نمونه ناشناخته باشند، محققان می‌توانند آن‌ها را بر اساس پایگاه‌های داده متابولومیک در دسترس عموم شناسایی کنند. سپس دانشمندان می‌توانند تعیین کنند که آیا وجود این متابولیت‌های خاص در نمونه قابل توجه است و خطرناک است یا خیر.  دانشمندان می‌توانند آنالیزهای متابولومیک را به صورت هدفمند، با تمرکز بر یک متابولیت خاص یا دسته‌ای از متابولیت‌ها انجام دهند. همچنین این کار ممکن است به روشی غیر هدفمند، با سنجش متابولوم نمونه استفاده شوند.

چرا متابولوم مهم است؟

از بین تمام اجزای مختلف در سلول‌ها، متابولوم به بهترین وجه منعکس کننده فنوتیپ بیولوژیکی یک نمونه است. زیرا نشان می‌دهد که چه واکنش‌های متابولیکی در سلول رخ داده است.  رویکرد متابولومیک هدفمند و غیرهدفمند می‌تواند به سوالات مختلف در مورد نمونه‌های بیولوژیکی، پاسخ دهد. به عنوان مثال تحت تأثیر عوامل محیطی یا رژیم غذایی، جهش‌های ژنتیکی یا بیماری‌ها و اختلالات.

برای مثال، قبل از مسابقه، یک نمونه ادرار از یک ورزشکار ممکن است تحت یک آنالیز هدفمند ضد دوپینگ متابولومیک قرار گیرد تا مشخص شود آیا آن‌ها داروی ممنوعه مانند استروئیدهای آندروژنی آنابولیک مصرف کرده‌اند یا خیر. پلاسما می‌تواند مسیرهای متابولیکی را که بین افراد بیمار و سالم متفاوت است نشان دهد و داده های مفیدی را برای تشخیص و مدل سازی بیماری ارائه دهد.

کاربرد نمونه‌های متابولومیک در تحقیقات و بررسی بیماری‌ها

همانطور که گفته شد، این علم اطلاعات ارزشمندی در مورد سلامت و بیماری انسان ارائه می‌دهد. از همین رو، کاربرد زیادی در بهداشت و پزشکی، تغذیه، بیوشیمی، توسعه دارویی و آزمایش سمیت دارو، تشخیص طبی، میکروبیولوژی، پزشکی قانونی و غیره دارد. برای کمک به محققان، پزشکان و سایر افراد در تجزیه و تحلیل متابولوم‌ها، پایگاه داده متابولوم انسانی (HMDB) برای اولین بار در سال 2007 منتشر شد که حاوی 114100 متابولیت است، اکنون جامع‌ترین پایگاه داده متابولومیک برای مطالعات انسانی است.

بیماری‌های متابولیک

محققان از متابولومیک هدفمند در مطالعات سبب‌شناسی بیماری‌های متابولیک، مانند دیابت، استفاده می‌کنند. در ادامه به بررسی برخی بیماری‌ها خواهیم پرداخت که به کمک علم متابولومیک قابل تشخیص و بررسی هستند.

سرطان

متابولومیک زمینه تحقیقات سرطان را نیز متحول کرده است. محققان این روش‌ها را برای کشف نشانگرهای زیستی تومور، کشف دارو، آزمایش سم شناسی و مطالعات تغذیه‌ای به کار گرفته‌اند. برای مثال، محققان از رویکرد متابولومیک غیرهدفمند برای شناسایی بیومارکرهای جدید برای سرطان گوارش استفاده کردند .دانشمندان همچنین می‌توانند از نشانگرهای زیستی شناخته شده بیماری به صورت هدفمند برای نظارت بر پیشرفت بیماری در طول زمان استفاده کنند.

بیماری‌های عصبی

دانشمندانی که از متابولومیک در تحقیقات بیماری آلزایمر (AD) استفاده می‌کنند، مسیرهای متابولیک متاثر متفاوتی را در نمونه‌های خون شناسایی کرده‌اند. که این مسیرها اختلال شناختی خفیف را با خطر ابتلا به بیماری آلزایمر در آینده مرتبط می‌سازد. این رویکرد قادر به شناسایی افرادی بود که در معرض خطر بالای ابتلا به آلزایمر قرار داشتند. به همین دلیل علم  متابولومیک می‌تواند برای بررسی احتمال بروز بیماری‌هایی مانند الزایمر در افراد مورد استفاده قرار گیرد.

میکروبیوم

متابولومیک برای درک میکروبیوم انسان نیز حیاتی است. از طریق تجزیه و تحلیل متابولوم، محققان متابولیت‌های تولید شده توسط جوامع میکروبی ساکن بدن انسان را شناسایی و کمی می‌کنند و روابط بین این متابولیت‌ها و سلامت انسان را تشخیص می‌دهند.

سخن پایانی

همانطور که در بخش مقدمه نیز گفته شد، متابولومیک علمی است که امروزه در حوزه‌های مختلف پزشکی و آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به کمک این علم و روش‌‌های مورد استفاده در آن محققین می‌توانند بیماری‌های مختلفی را در انسان تشخیص دهند.

همانطور که رویکردهای متابولومیک به تکامل خود ادامه می‌دهند و متابولیت‌های جدید بیشتری شناسایی می‌شوند، ممکن است تعداد فزاینده‌ای از کاربردهای متابولومیک در تحقیقات بیماری‌های انسانی و زیست پزشکی نیز کشف شود.

امیدواریم این مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد.