Huvitavat metaboloomikast

Ursel Soomets Meditsiinilise metaboloomika professor

Bio- ja Siirdemeditsiini instituut

Biokeemia osakond

Siirdemeditsiini tippkeskus

Arstiteaduskond

Millest täna juttu tuleb?

• Mis on metaboloom?

• Metaboloomi sugulus teiste oomiliikidega

• Mass-spektromeetria

• Mõningad näited

Metaboloom • Madalmolekulaarsete ühendite kogum

– Orgaanilised ühendid, mis ei ole enamuses polümeersed, on reeglina molekulmassiga 100-700 Da

– Näiteks aminohapped, rasvhapped, suhkrud, vitamiinid, lipiidid & mõningad anorgaanilised ühendid ja elemendid

• Bioloogilised süsteemid koosnevad harva üksikutest puhastest ainetest – kõik on segud

• Lõhna ja maitseained on madalmolekulaarsed. • Lõhna- ja maitsebukett – osad prae

metaboloomist Heaks aistinguks ei pruugi piisata ühest komponendist vaid võib olla tarvilik paljude ainete õige vahekord. Täpselt samuti ka terve metaboloomi korral

(2500 metabolites, 1200 drugs, 3500 food components)

Genoom

Transkriptoom

Proteoom

Metaboloom

Fenotüüp

Mis võib juhtuda

Mis paistab juhtuvat

Mis paneb selle juhtuma

Mis juhtus või juhtub praegu

Roux A, et al, Applications of liquid chromatography coupled to mass spectrometry-based metabolomics in

clinical chemistry and toxicology: Clin Biochem (2010), doi:10.1016/j.clinbiochem.2010.08.016

Eksperimendi skeem

Erinevad analüüsid

• Suunatud analüüs/biomarkerid – enamik põhikooli lõpetanuist saaks andmetöötlusega hakkama

• Suunamata analüüs – mitmemõõtmeline andmetöötlus

Vahendid metaboloomi küttimiseks

• Ajalooliselt – keel, nina

– Uriini maitse ja lõhna põhjal

haiguste määramine

• Tänapäeval

• Eraldamine

– Gaaskromatograafia (GC)

– Kõrglahutuvusega vedelikkromatograafia (HPLC)

– Kapillaarelektroforees (CE)

• Detektsioon

– Mass-spektromeetria (MS)

– Tuumamagnetresonants (NMR)

Tandem mass-spektromeetria - MS/MS

• Vedelikkromatograaf-tandemmass-spektromeeter (LC/MS/MS)

– Eraldab proovis leiduvad ained

– Ioniseerib ained (+/-)

– Registreerib ainete massi-laengu suhted (m/z), mis on harilikult vastavate ainete massid.

– Võimaldab meid huvitavat ainet lõhustada ning registreerida selle fragmentide m/z-d

Miks metaboloomi uuritakse

• Haiguste diagnostika

• Haiguste jälgimiseks/diagnoosimiseks sobivate biomarkerite otsingud

• Ravimite metabolism

• Ravimite toksilisuse hindamine

Loomkatsed

Neerud Sinine +/+ Punane -/-

* p<0,05 ** p<0,01 *** p<0,001

Toit

Walsh et al BrJ of Nutrition 2014

NW (loe) – Dublin, IRL; Reading,UK SW (edel) – Cordoba, ESP; Marseille, FRA NE (kirre) – Uppsala, SWE; Oslo, NOR

Professor of metabolomics

Rõõmus lehm Tervislik toit Õnnelik elanik

Üldine metaboloomiliste uuringute võrgustik piima uuringutes

Miks mõnest piimast juustu ei saa?

• 131 proovi, 39 farmi • Andmed: laapumine (Rmin, E30), pH, valgu, rasva ja

karbamiidi sisaldus, lüpsipäev, laktatsioon, tõug, põlvnemine.

• Laapuvate ja mittelaapuvate piimade metaboolsete profiilide analüüs.

- Piima laapumist iseloomustavate markerite leidmine

- Piima laapumist iseloomustavate metaboliitide identifitseerimine

Väga hästi laapuv piim

Mittelaapuv piim

Punane - mittelaapuvad, must – vahepalse laapuvusega, roheline – hästi laapuvad

piima proovid. Wilcoxon’i test hästi ja mittelaapuvate vahel. 25 suurima

erinevusega m/z väärtust koos p-väärtusega.

Mittelaapuv

ad

Vahepealse laapuvusega Hästi

laapuvad

Mittelaapuvad Hästi laapuvad

Erinevused disahhariidides, karnitiinis, fosfosuhkrutes jne

Inimuuringud

Mida siis patsientidel uuritud on?

• Kasutatud on kõiki erinevaid tehnikaid

• Populaarseim on NMR, kuid järjest rohkem MS/MS

• Vereplasma, uriin, liikvor, koed

• Haigeid võrreldud tervetega, tervet kude patoloogilisega samal patsiendil, omavahel võrreldud erinevaid sama haiguse raskusastmeid, veel, kas metaboliitide seisukohalt on tegemist erinevate haiguste/patoloogiatega?

• Krooniline obstruktiivne kopsuhaigus (KOK) • Patoloogiline seisund, mille korral

forsseeritud hingamise õhuvoolud on oluliselt vähenenud • Sümptomid: rögaeritus, krooniline köha,

õhupuudus • Põeb 210 milj. inimest • 5% surmadest KOK tõttu

• Väljahingatud õhu kondensaat (EBC) • Koostiselt sarnane hingamisteede epiteeli

piirdevedelikuga • 20 000 korda lahjem • Hingamisteede ainevahetuse produktid +

ained verest • Lenduvad ja mittelenduvad ained

Väljahingatava õhu

kondensaat; EBC

Proovide kogumine

• Rtube

(10 min, 1-1,5ml, -80°C)

• Säilitamine - temp -80°C

• MS analüüs

Kopsuhaigused

KOK

Astm

a

Hingeõhu kondensaadi peakomponentanalüüs

SPLSDA preop vs postop (EBC)

PLSDA

Vähikude; mittevähikude

Phosphatidylinositol

(18:0-20:3) MW =

888,52

Ülesreguleeritud vähikoes

Psoriaasi metaboloomika

• Proovide kogumine:

Naha biopsiad EBC Vereseerum

Psoriaatilise naha PCA analüüs

Roheline – terve doonor Punane – psoriaatiline nahk Sinine – mittepsoriaatiline nahk

Psoriaasi haigete vs tervete EBC PCA

Kokkuvõtteks

• Metaboloom on madalmolekulaarsete (orgaaniliste) ühendite bukett.

• Termin ”metaboloom” on suhteliselt uus, kuid metaboloome on uuriud väga ammu.

• Tänu teadusaparatuuri arengutele on viimasel kahel kümnendil uuringud palju tulemusrikkamad kui enne.

TÄNAN TÄHELEPANU EEST!

Metaboloomikute hüüdlause!