Laura Bertini, Leonardo Tenori, Lorenzo Corbetta *
1. Cenni generali sulla metabolomica
Con il termine metabolomica1-5 si intende la scienza capace di effettuare «una analisi sia quantitativa che qualitativa di tutti i metaboliti presenti in un sistema biologico».
L’oggetto di studio della metabolomica è il metaboloma ovvero l’insieme dei metaboli- ti presenti nei sistemi biologici (dai più semplici come quelli unicellulari ai più complessi come l’uomo) identificabili come prodotti finali dell’espressione genica.
Sebbene non quantificabile con assoluta precisione, è possibile affermare che il nume- ro dei metaboliti costituenti il metaboloma umano oscilli da un numero minimo di 2.000 composti ad un numero massimo di 20.000 e che di questi composti i più interessanti sia- no sicuramente le molecole di basso peso molecolare come lipidi, glucidi e amminoacidi che costituiscono sia i substrati che i prodotti di numerosi pathway metabolici e sono coin- volti in numerose vie di signaling.
Oltre all’enorme variabilità quantitativa, un’altra fondamentale caratteristica del meta- boloma umano (ma anche degli altri sistemi biologici) è la dinamicità, ovvero la capacità di modificarsi sia quantitativamente (concentrazione dei metaboliti) che qualitativamente (tipologia dei metaboliti) non solo in risposta a fattori fisiologici come età, sesso, alimenta- zione e assetto genetico in modo tale da delineare il substrato biochimico delle differenze fenotipiche inter ed intra-individuali, ma anche in risposta a tutte quelle condizioni pa- tologiche che sono dovute o che si associano a scompensi del metabolismo: è proprio in questa ottica che il metaboloma può essere considerato come un indice molto complesso e accurato dello ‘stato di salute’ dell’organismo umano.
Due sono gli approcci con cui la metabolomica viene condotta.
1. Approccio qualitativo: quello più tradizionale che si occupa dello studio di un particola- re metabolita o di una specifica classe di metaboliti.
2. Approccio quantitativo: quello più recente ed innovativo, che ha suscitato maggiore in- teresse nella comunità scientifica; esso si occupa dello studio di tutti i metaboliti – noti
* Laura Bertini è dirigente medico I livello di Medicina interna presso l'Ospedale Santa Maria Nuova, Azienda USL
Toscana Centro. Leonardo Tenori, Centro di Risonanza Magnetica (CERM), Università di Firenze. Lorenzo Corbet- ta è direttore del programma di formazione avanzata in Pneumologia Interventistica – AOU Careggi di Firenze.
e non noti – determinabili con l’analisi metabolomica e del successivo confronto con impronte metaboliche di riferimento di soggetti sani in modo da poter evidenziare eventuali alterazioni patologiche del metaboloma.
Interpretando con opportuni strumenti matematico-statistici il fingerprint metabolomico, si potrebbe riuscire ad ottenere non solo la diagnosi di una specifica malattia in tempi molto più precoci rispetto a quelli attuali, ma anche informazioni sulla variabilità della risposta farmacologica dei pazienti in modo tale da poterne personalizzare e ottimizzare la terapia.
Gli studi di metabolomica vengono effettuati sui più comuni fluidi biologici ed in particolar modo su sangue e urine che possono essere ottenuti in modo semplice e scar- samente invasivo. Tali campioni sono poi sottoposti a processi analitici che sfruttano la Spettroscopia di NMR; questa è una metodica che, mantenendo l’integrità del campione, permette di ottenere informazioni dettagliate sulla struttura molecolare sia di composti puri che di miscele complesse.
Rispetto alle tecniche analitiche fino ad oggi utilizzate, essa presenta tre vantaggi fondamentali:
1. rapidità dell’analisi che viene completata in circa otto minuti;
2. semplicità delle procedure per l’assenza della necessità reale di pre-trattare i campioni da analizzare;
3. multiparametricità correlata alla possibilità di analizzare i metaboliti indipendentemen- te dalla loro natura chimica in modo tale da ottenere un fingerprinting svincolato dalle conoscenze a priori sulla natura delle molecole osservate.
Attraverso la NMR è possibile ottenere evidenze sperimentali dell’esistenza di un fe- notipo metabolico individuale (metabotipo) costante e caratteristico per ciascun soggetto, che non risente delle variazioni dello stile di vita e che quindi si configura come la parte invariabile dell’espressione metabolica. Da ciò si evince che le alterazioni del metabotipo possono essere considerate dei campanelli di allarme per l’insorgenza di patologie o per l’evoluzione clinica di patologie già instaurate.
L’analisi con spettroscopia NMR dei liquidi biologici produce uno spettro contenente una serie di picchi le cui ampiezze e posizioni consentono di determinare accuratamente le caratteristiche delle molecole organiche presenti all’interno del campione.
In conclusione possiamo affermare che il punto di forza della metabolomica è proprio la capacità di analizzare, nello stesso momento, l’insieme di tutti i metaboliti (fingerprint) presenti nei fluidi biologici in modo tale da ottenere il maggior numero di informazioni riguardanti lo ‘status’ dei campioni stessi e quindi dei soggetti a cui essi appartengono. 2. La metabolomica ha un ruolo potenziale nella diagnosi di malattie sistemiche e oncologiche.
La metabolomica fornisce il quadro dinamico di uno stato metabolico di un sistema biologico. I metaboliti non solo possono dare delle indicazioni sullo stato di salute dell’in- dividuo ma anche sulle malattie che potrebbero manifestarsi. Ricerche sui metaboliti nel diabete mellito, nell’ipertensione arteriosa, nella malattia celiaca e nello scompenso car- diaco, hanno rilevato un’alterazione del metaboloma fino a 10 anni prima che comparisse- ro i sintomi della malattia6-14.
Negli ultimi anni gli studi metabolomici hanno fornito un contributo significativo nel campo oncologico, sottolineando il ruolo potenziale dell’analisi del PM nei soggetti affetti
da tumore. In particolare numerosi studi sono stati eseguiti e tanti altri sono tuttora in cor- so sul ruolo della metabolomica nella diagnosi precoce e nella progressione del cancro al seno: donne sottoposte ad intervento chirurgico per cancro al seno, senza metastasi radio- logicamente documentabili, hanno dato luogo a due PM in uno solo dei quali si è avuta metastasi rilevata nel corso del follow up, diversamente dall’altro gruppo15-20. Il PM è stato studiato anche in relazione ad altri tipi di cancro come per esempio il cancro colon-retto metastatico21, il tumore dell’ovaio 22, la leucemia23, il tumore precoce del cavo orale24, il tu- more del fegato25 e la progressione del cancro alla prostata26.
2. Tumore del polmone