Una rete di interazioni metaboliche ci permette di descrivere la cellula: genoma (insieme dei geni di una cellula o organismo), trascritti (molecole di RNA di una cellula) e infine proteine. Nella cellula tutto è pronto per dare il via ai processi metabolici, dai più semplici ai più complessi, da quelli comuni a tutte le cellule a quelli specifici per ciascun tipo cellulare.
Sono proprio i metaboliti prodotti, sia quelli finali, sia quelli che costituiscono le tappe intermedie dei pathway metabolici, a dare alle cellule un’impronta biochimica unica, traccia eloquente dei processi in esse avvenuti.
Fu Roger Williams nel 1940 il primo ad introdurre il concetto di profilo metabolico, in inglese metabolic fingerprint, come elemento caratteristico di ogni individuo:
da qui il termine Metabolomica, per descrivere la disciplina scientifica che si occupa di identificare i metaboliti che caratterizzano i singoli processi biologici cellulari.
La metabolomica si occupa proprio dello studio di queste tracce, lo studio sistematico delle “impronte biochimiche” lasciate dai processi metabolici intracellulari e costituite dai metaboliti stessi. L’insieme dei metaboliti, le piccole molecole presenti in una cellula (o per esteso, in un tessuto, organo od organismo), è chiamato metaboloma.
Abbiamo parlato di impronte e di tracce, ma possiamo paragonare la metabolomica anche a un’istantanea della cellula che ci dice cosa essa sta facendo, in quale fase del ciclo cellulare si trova, se sta affrontando una situazione di stress o se sta svolgendo il suo ruolo fisiologico indisturbata.
Benvenuti nel mondo delle scienze – omiche e della loro potenzialità!
Nel complesso delle scienze-omiche, la metabolomica si posiziona alla base di una piramide al cui vertice troviamo l’analisi dell’informazione genica, la genomica, a cui fa seguito la Trascrittomica o analisi dell’espressione genica. Scendendo nella piramide, troviamo la Proteomica che studia l’insieme delle proteine delle cellule.
Una scienza un po’ più “VECCHIA” di quanto si pensi
Non lasciamoci ingannare dal suffisso -omica: la metabolomica è una scienza vecchia quanto quella medica! Fin dai tempi di Ippocrate e della sua medicina degli umori, l’analisi, per quanto intuitiva, della composizione dei fluidi corporei veniva utilizzata come strumento di diagnosi; lo stesso avveniva in epoca medievale, quando l’antenata della moderna analisi delle urine, permetteva di comprendere molto dello stato di salute del paziente (assaggiare le urine per sapere se erano dolci, altro non era che una primitiva diagnosi di diabete!).
Il concetto di profilo metabolico risale agli anni ’40 e fa riferimento al pattern di metaboliti caratteristico di ciascun individuo, presente nei fluidi corporei facilmente analizzabili come urina e saliva. Roger Williams introdusse tale concetto nel corso dei suoi studi sulla schizofrenia, condotti attraverso cromatografia. Erano gli albori della metabolomica e, ancora, non esistevano mezzi per un’analisi quantitativa dei metaboliti. Il passaggio dal qualitativo al quantitativo, avvenne negli anni ’70 grazie alla combinazione di gas cromatografia (una tecnica che si basa sulla ripartizione dei componenti di una miscela) e spettrometria di massa (tecnica analitica che separa gli ioni aventi la stessa carica e massa diversa) a opera di Horning, Pauling e Robinson.
Negli stessi anni, l’utilizzo della risonanza magnetica nucleare (RMN) (tecnica di indagine che si basa sull’utilizzo di un un campo magnetico) per analisi spettroscopiche (la spettroscopia è la scienza che misura l’intensità della luce a diverse lunghezze d’onda), introdotto già negli anni ’40, venne applicato anche allo studio dei metaboliti presenti nei campioni biologici.
Nel 2007 lo Human Metabolome Project, guidato da un’équipe canadese, completa una prima bozza del metaboloma umano.
Lo Human Metabolome Database contiene più di 40.000 metaboliti
LE APPLICAZIONI CLINICHE DELLA METABOLOMICA
Secondo il National Institutes of Health (NIH) la Medicina di Precisione è “un approccio emergente di trattamento e prevenzione delle malattie che tiene conto della variabilità individuale di geni, ambiente e stili di vita di ciascuna persona”.
La Medicina di Precisione è affiancata dall’attuale “medicina 4P”: predittiva, preventiva, personalizzata e partecipativa.
Tale approccio dovrebbe consentire ai medici e ai ricercatori di predire più accuratamente quale trattamento e/o prevenzione per una specifica malattia funzionerà in un certo gruppo di pazienti e/o di persone. Ciò permetterà di diagnosticare gli specifici fattori causali e di trattare specificamente ed efficacemente le cause profonde della malattia.
Le applicazioni della metabolomica riguardano diversi campi, più o meno strettamente collegati alla pratica clinica.
L’analisi metabolomica, non solo permette di identificare i cambiamenti biochimici, anche precoci, associati all’uso di farmaci o all’esposizione ad inquinanti, ma anche quelli che sono spia di situazioni patologiche ancora asintomatiche. L’insorgere di una patologia neoplastica, perfino nelle fasi iniziali di latenza clinica, si associa ad alterazioni del metaboloma che potrebbero essere utilizzate ai fini della diagnosi precoce. Lo stesso vale per le dislipidemie e le malattie cardiovascolari, negli stadi che precedono l’evidenza della sintomatologia, per non parlare delle malattie neurodegenerative come Alzheimer, Parkinson e SLA, in cui la diagnosi è molto spesso tardiva.
Il campo in cui la metabolomica ha riscontrato maggior successo e utilità è quello della prevenzione e prognosi di patologie multifattoriali, in cui è necessaria la descrizione metabolica di un fenotipo specifico.
A differenza delle malattie genetiche ereditarie, per cui la disponibilità di una quantità limitata di biomarker potrebbe essere sufficiente per la diagnosi e prognosi della patologia, nelle malattie multifattoriali, come l’obesità, si aspira all’identificazione di una firma metabolica, costituita da centinaia di metaboliti
In questo contesto, la disponibilità della Metabolomica risulta di vitale importanza per la comprensione del ruolo svolto da ciascun metabolita all’interno dei processi biologici.
NUTRIMETABOLOMICA: il futuro della medicina personalizzata
In conclusione e in vista del nuovo approccio personalizzato della medicina, oggi siamo in grado di parlare anche di nutrimetabolomica. Il concetto base consiste nella possibilità di identificare, a livello personalizzato, la nostra mappa metabolica. L’obiettivo?
Quello di comprendere, al dettaglio del singolo metabolita, il proprio metabolismo, in modo tale da stabilire un’alimentazione appropriata per le esigenze di ciascun fenotipo.
Un esempio: l’analisi del nostro profilo metabolico ci allerta riguardo una particolare predisposizione all’insorgenza di sindrome metabolica. Ebbene, sapendo questo e agendo in anticipo possiamo curare la nostra dieta e il nostro stile di vita in maniera personalizzata al fine di modificare e qualificare il nostro ingranaggio metabolico.
FONTI BIBLIOGRAFICHE
- Rivista Società Italiana di Medicina Generale N.6 VOL.25 2018
- Piero Cappelletti Riv Ital Med Lab (2016); Medicina di Precisione e Medicina di Laboratorio Precision Medicine and Laboratory Medicine
- Hollywood K, Brison DR, Goodacre R (September 2006). “Metabolomics: current technologies and future trends”. Proteomics. 6 (17): 4716–23.
- Cirulli ET, Guo L, Leon Swisher C et al. Profound perturbation of the metabolome in obesity associates with health risk. Cell Metab. doi:10.1016/j.cmet.2018.09.022 (2018)
