Bilgiustam
Türkiye'nin Bilgi Sitesi

Toksikolojide Metabolomik Teknolojilerinin Kullanımı

0 31

Metabolomikler, zararlı kimyasallar tarafından hedeflenen değiştirilmiş metabolik yolların ayrıntılı bir analizini sağlayarak toksikolojik araştırmalarda önemli bir rol oynamaktadırlar. Ayrıca, tıp alanındaki araştırmacıların ve kilit oyuncuların zararlı kimyasalların mekanizmasını anlamalarına yardımcı olmaktadır. Yani özetle, metabolomik metabolitlerin incelenmesidir. Vücudun biyokimyasal ve fizyolojik durumunun yanı sıra iç ve dış faktörlere yanıt olarak metabolik profildeki değişikliklerin kapsamlı bir analizini sağlamayı amaçlamaktadır. Bu tür bilgiler daha sonra patolojik durumlarla ilişkili biyo belirteçlerin keşfini kolaylaştırmaktadır. Bu biyo belirteçler aynı zamanda çeşitli metabolomik yaklaşımlarla ilaç tedavilerinin etkinliğinin haritalanmasında hayati rol oynamaktadır.
Biyolojik bir sistemdeki metabolitlerin kapsamlı analizi olan metabolomik, bir biyolojik sistemin biyokimyasal, fizyolojik durumu ve kimyasalların neden olduğu değişiklikler hakkında ayrıntılı bilgi sağlamaktadır. Metabolomik analiz, güvenlik biliminde genetiği değiştirilmiş organizmaların fizyolojik durumunun analizinden insan sağlığı koşullarının değerlendirilmesine kadar birçok alanda kullanılmaktadır. Toksikolojide metabolomik, bozulmuş biyokimyasal yolların klasik bilgisi ile en yakından ilgili olan -omik disiplinidir. Tehlikeli bir bileşiğin potansiyel hedeflerinin hızlı bir şekilde tanımlanmasını sağlamaktadır. Hedef organlar hakkında bilgi verebilmekte ve genellikle belirli bir bileşiğin etki şekli ile ilgili anlayışıı geliştirmeye yardımcı olabilmektedir.
Bu tür bilgiler, ya patofizyolojik durumları gösteren ya da ilaç tedavilerinin etkinliğinin izlenmesine yardımcı olan biyo belirteçlerin keşfedilmesine yardımcı olmaktadır. Metabolomiklerin ilk toksikolojik uygulamaları mekanik araştırmalar için yapılmıştır, ancak teknolojiyi düzenleyici bir bağlamda kullanmanın farklı yolları araştırılmaktadır. İdeal olarak, bu yönde daha fazla ilerleme, metabolomik yaklaşımını 21’in toksikolojisinin zorluklarını ele alacak şekilde konumlandırılmaktadır. Bu sorunları ele almak için, akademi, endüstri ve düzenleyici kurumlardan bilim adamları, uygulanan metabolomiklerin mevcut durumunu ve bileşiklerin güvenlik değerlendirmesindeki potansiyelini görüşmek üzere bir çalıştayda bir araya gelmiştir. Bu çalıştayda in vitro çalışmalar için metabolomik, sistem toksikolojisinde metabolomiklerin uygun kullanımı ve metabolomiklerin düzenleyici bir bağlamda kullanımına ilişkin soruları ele alan üç çalışma grubunun sonuçlarını bildirmişlerdir.
Metabolomik, biyolojik bir numunedeki yüzlerce metabolitin kapsamlı analizidir; herhangi bir anda canlı bir organizmanın, hücrenin veya hücre altı bölmenin fizyolojik durumu hakkında ayrıntılı bilgi sağlamaktadır. İlgili analitler, hücresel metabolizmanın bir sonucu olarak hücreler tarafından üretilen ve dönüştürülen karbonhidratlar, amino asitler, nükleotitler, fosfolipitler, steroidler veya yağ asitleri gibi küçük endojen moleküller ve bunların türevleridir. Bu metabolitler, incelenen sistemin biyokimyasal süreçlerini doğrudan yansıttığından, analizleri yalnızca belirli bir metabolit profili veren biyokimyasal yolların aktivitesi hakkında fikir edinmekle kalmaz, aynı zamanda bu yolların değiştirilmesi konusunda da fırsat sunmaktadır. Bu nedenle, metabolomikler sadece normal koşullar altında değil, aynı zamanda patolojik durumlarda da insan fizyolojisini incelemek için kullanılabilmektedir.
Bu, klinik ortamlarda uygulama olasılığını açmaktadır; çünkü böyle bir yaklaşım, çok erken bir aşamada tedavi başarısının izlenmesine izin vermektedir. Birleşik çoklu ilaç tedavisi senaryolarının yükselişi göz önüne alındığında bu çok önemlidir. Bu bağlamda, metabolomik sadece tıpta değil, aynı zamanda biyoteknoloji ve toksikoloji alanlarında da temel araştırma yaklaşımından uygulamalı bilime doğru genişlemektedir. Örneğin, biyoteknolojide, metabolomik, bir genetik modifikasyonun veya modifikasyonların belirli bir istenen fenotip ile ilişkisini, dâhil olan kritik biyokimyasal yolları belirleme çabasıyla değerlendirme imkanı sunmaktadır. Örneğin, iyileştirilmiş verim veya üretim için belirli metabolik yolların artan aktivasyonunun belirlenmesine izin vermektedir. Klinik tıp ve farmakolojide, metabolomikler, daha ilgili biyo belirteçlerin kullanılması yoluyla patolojilerin tanımlanması için yerleşik bir araç haline gelmektedir.
Hâlihazırda mevcut olan verilerden, metabolomik bilgilerinin, örneğin transkriptomik verilerden çok, hayvan çalışmalarında kullanılan klasik toksikolojik son noktalar ile daha kolay ilişkilendirilebileceği görülmektedir. Bunun bir nedeni, metabolik profildeki değişikliklerin genellikle genom, transkriptom ve proteom düzeyinde meydana gelen ilk değişikliklerin aşağı akışı olabilmektedir. Ek olarak, on binlerce transkript veya yüzbinlerce protein ile karşılaştırıldığında bir doku veya biyo-akışkan içinde bulunan nispeten az sayıdaki metabolit (yani yüzlerce / binlerce), ilişkili anlamlı değişiklikleri belirlemeye çalışırken avantajlı olabilmektedir. Toksikolojik çalışmalar için, hücre dışı metabolitlerin bir şekilde hücre içi durumu yansıtması gerçeği büyük önem taşımaktadır. Bu, vücut sıvılarının (kan, idrar, vb.) İnvazif olmayan veya minimal invaziv örneklemesinin ve bu tür örneklerde metabolomik analizin, aksi takdirde yalnızca yüksek düzeyde invazif (histopatolojik) olarak tanımlanabilen hedef organ toksisiteleri hakkında bilgi edinmek için temelini oluşturmaktadır. Ayrıca, bir çalışma konusu veya hayvandaki zaman süreci çalışmaları, metabolomik yaklaşımın bu özel avantajı ile büyük ölçüde kolaylaştırılmıştır
Vücut sıvıları, dokular veya tüm organizmalardan (yani mantarlar, suda yaşayan organizmalar, vb.) Alınan tek bir ölçümde çok sayıda metabolit için bilgi sağlamaya ek olarak, metabolomikler ilaç etkilerini anlamak için in vitro hücre sistemlerine uygulanmıştır. İlk pilot çalışmalar, metabolomik yaklaşımların gelecekteki uygulamalarının yüksek verimli kimyasal tarama uygulamaları olduğunu göstermektedir. Son olarak, yeni görüntüleme teknikleri yalnızca çevresel toksik maddeleri biyolojik sistemler içinde konumlandırmakla kalmaz, aynı zamanda hücrelerdeki spesifik toksikolojik etkileri tanımlamak için metabolomik yaklaşımlarla birlikte kullanılabilmektedir.
Metabolomiklerin toksikoloji ve güvenlik bilimlerinde artan kullanımı nedeniyle, 14–15 Şubat 2012 tarihlerinde Berlin’de bir çalıştay düzenlenmiştir. Akademi, endüstri ve düzenleyici kurumlardan bilim adamları bu yaklaşımın mevcut durumunu bugünkü ve gelecekteki uygulanabilirliğini görüşmüşlerdir. Çalıştaydan bir gün önce, BASF/CAAT-Europe tarafından çeşitli ilgili toksikolojik soruları ele almak için metabolomiklerin kullanımına ilişkin en son teknolojiyi sunmak için uluslararası bir sempozyum düzenlenmiştir. Katılımcılar, güvenlik değerlendirmelerinde ve in vitro ortamlarda metabolomiklerin daha geniş uygulamasında birkaç engel belirlemişlerdir. Bu, takip eden çalıştayda bu konularla ilgili derinlemesine tartışmaların yolunu açmıştır.

Toksikolojide Metabolomiklerin Avantajları

Toksikolojide metabolomiklerin kullanılmasının temel avantajı, metabolizmadaki değişikliklerin genetik, transkriptomik ve proteomik seviyelerde meydana gelen olaylara ‘akış aşağı’ olayları olmasıdır. Böylece metabolomikler, toksik hakaretlerin neden olduğu doğrudan hücresel fenotiplerin anlaşılmasını kolaylaştırmaktadır. Ek olarak, hücre dışı metabolitlerde meydana gelen değişiklikler hücre içi metabolik senaryoları yansıttığından, invaziv olmayan veya minimal invaziv tekniklerle elde edilen biyolojik sıvıların (idrar veya kan) metabolomik analizi hedef organ toksisitelerinin değerlendirilmesinde yeterlidir. Metabolomiklerin bir diğer önemli yararı, çok sayıda metabolit hakkındaki bilgilerin, çoğu zaman ilaç toksisitesinin seviyesini hızlı bir şekilde anlamak için temel bir gereklilik olan tek bir ölçümle elde edilebilmesidir. Ayrıca, in vitro metabolomik yaklaşımlarla ilaçların veya kimyasal bileşiklerin geniş ölçekli taranması da sağlanabilmektedir.
Hücre çizgilerini, primer hücreleri, 2D veya 3D formatında ortak kültürleri vb. Kullanan in vitro metabolomiklerin önemli bir kullanımı, bilinen referans kimyasalları kullanarak biyolojik sistemdeki bilinmeyen kimyasalların toksikolojik modellerini tahmin etmektir. Bu analiz, bilinen bir referans kimyasalın metabolik profilinin in vivo toksikolojik profili ile karşılaştırılması ile başlamaktadır. Bu, farklı bir toksikolojik uç nokta ile ilgili metabolik profili tanımlayan bir ‘toksisite paterni’ oluşturulmasına izin vermektedir. Daha sonra üst üste binme derecesi, bilinmeyen kimyasalın metabolik profilinin toksisite paterniyle hizalanmasıyla hesaplanmaktadır. Veriler, bilinmeyen bir kimyasalın toksikolojik modelini tahmin etmek için kullanılmaktadır. Bununla birlikte, in vitro metabolomiklerin kullanımı ile ilişkili en büyük zorluk, ilaç etkinliği ve ilaç güvenliği hakkında en uygun bilgiyi elde etmek için in vitro verilerin in vivo ortamlara ekstrapolasyonudur.

Metabolomikler Toksikolojide Nasıl Kullanılır?

Metabolomiklerin ilerlemesi, onu toksikoloji ile ilgili birçok alanda rutin ve kapsamlı bir şekilde kullanışlı hale getirmiştir.

İlaç Toksisitesi Değerlendirmesi

Metabolomikler ilaca bağlı hücresel veya organ toksisitesinin taranmasında dikkate değer bir potansiyele sahiptir. Biyolojik örneklerin, özellikle biyoakışkanların hızlı değerlendirilmesi, elde edilen verilerin matematiksel ve istatistiksel analizi (kemometri) ile birlikte, ilaç güvenliği değerlendirmesi için güçlü bir platform görevi görmektedir. Örneğin, bir ilaç veya kimyasal, hücresel oksidatif stresi indükleyerek hepatik toksisiteye neden olursa, ilaca maruz kalan biyolojik numunenin metabolomik analizi, oksidatif stresi doğrudan gösteren metabolitler hakkında doğrudan bilgi sağlayabilmektedir. Ayrıca, hepatik hasarın bilinen biyobelirteçleri olarak kabul edilen ve böylece hepatik patolojiyi gösteren metabolitleri belirtebilmektedir. Ek olarak, metabolomik analiz, toksisite ile dolaylı olarak ilişkili metabolitler hakkında da bilgi sağlayabilmektedir.

İlaç Güvenliği Değerlendirmesi

Metabolomiklerin, geniş bir metabolik senaryo yelpazesini yakalama açısından geleneksel klinik patoloji değerlendirmesine göre çeşitli avantajları bulunmaktadır. Örneğin, bilinmeyen bir bileşiği araştıran bir çalışma, bileşiğin serum kolesterol seviyesini arttırdığını ortaya koymuştur. Metabolomiklerin kullanılması üzerine, bileşiğin, kolesterolün yanı sıra, birkaç fitosterolü de arttırdığı, bu da yüksek kolesterolün bağırsaktaki sterol emiliminin bir sonucu olduğunu göstermiştir. Bu tür bulgular, metabolomiklerin, kesin toksikolojik uç noktaların tanımlanması açısından çok daha yüksek bir potansiyele sahip olduğunu açıkça göstermektedir.

Bir İlacın Etki Mekanizmasını Tanımlama

Bir ilacın veya kimyasalın toksisite yönünü etkili bir şekilde değerlendirmek için, etki şeklini anlamak önemlidir. İlaca bağlı toksik fenotipleri tasvir etmenin yanı sıra, metabolomikler ayrıca belirli bir ilacın hücresel zemin üzerindeki etkilerini nasıl uyguladığını araştırmak için iyi bir platform görevi görmektedir.

Toksikolojide Metabolomiklerin Zorlukları

Metabolomikleri ilaç toksisitesini ve etki şeklini değerlendirmek için titiz bir araç olarak kullanmadan önce verilerle ilişkili teknik ve biyolojik varyasyonlar dikkate alınmalıdır. Esas olarak numune hazırlama, analitik prosedür veya metabolitlerin ayrılması ve saptanmasından kaynaklanan teknik varyasyonlar, standart çalışma prosedürleri (SOP) ve uygun kalite kontrol önlemleri kullanılarak çözülebilmektedir. Farklı deney hayvanı modellerini kullanırken yaygın olan biyolojik varyasyonları ortadan kaldırmak için, her bir ayrı sistem için standart işletim prosedürleri oluşturulmalıdır. Biyolojik değişkenlik ciddi şekilde ele alınmalıdır, çünkü potansiyel olarak ince fakat önemli bilgileri gizleyerek yanlış pozitif veya yanlış negatif veriler üretebilmektedir.

Kaynakça:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3821217/
https://academic.oup.com/toxsci/article/120/suppl_1/S146/1621687<
https://www.frontiersin.org/research-topics/10818/metabolomics-in-toxicology-from-mechanistic-elucidation-to-preventive-and-therapeutic-strategies
https://www.researchgate.net/publication/51446950_Metabolomics_in_Toxicology_Preclinical_and_Clinical_Applications

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu

Cevap bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.