Μεταβολικές διαταραχές και συστημική βιολογία
Authors: Ιωαννίδη Μαρία-Κωνσταντίνα 
Published: November 2022

Οι μεταβολικές διαταραχές συνδέονται με πλήθος νοσημάτων στον άνθρωπο, που τις καθιστούν από τα σοβαρότερα προβλήματα δημόσιας υγείας σε όλο τον κόσμο. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μία ραγδαία αύξηση στο ποσοστό του πληθυσμού που εμφανίζει κακό καρδιομεταβολικό πρότυπο στην ενήλικη ζωή και επηρεάζεται από κάποιου είδους μεταβολική διαταραχή, καθιστώντας αναγκαία την περαιτέρω διερεύνησή των μεταβολικών διαταραχών ως προς τις αιτίες και τους τρόπους αντιμετώπισής τους. Στη σύγχρονη βιολογία και ιατρική, η ολιστική ανάλυση της μοριακής φυσιολογίας πολλών ιστών, είτε μεμονωμένα αλλά και συνδυαστικά, με τη χρήση βιομοριακών αναλύσεων υψηλής απόδοσης (ή αλλιώς ομικών αναλύσεων) μπορεί να παρέχει μία λεπτομερή εικόνα ιστοειδικών χαρακτηριστικών, που συνδέονται με μια μεταβολική διαταραχή αλλά και συνολικών ρυθμιστικών μηχανισμών που εμπλέκουν περισσότερους ιστούς. Ιδιαίτερα, η ολιστική ανάλυση του μεταβολικού προτύπου (μεταβολομική) ιστών στο πλαίσιο αυτών των μεταβολικών παθοφυσιολογιών κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική, με σημαντική συμβολή στη συστημική φυσιολογία εάν αξιοποιηθεί κατάλληλα για μεταφραστικές εφαρμογές. Η μεταβολομική ανάλυση ιστών σε συνθήκες μεταβολικής διαταραχής είναι μια πολυβηματική διαδικασία, που απαιτεί προσεγμένο πειραματικό σχεδιασμό και εκτέλεση όλων των πειραματικών σταδίων, ώστε να αποδώσει αξιόπιστα δεδομένα που να μπορούν να αξιοποιηθούν για την εξαγωγή βιολογικών συμπερασμάτων. Σημειώνεται ότι ως προς τον πειραματικό σχεδιασμό, την επιλογή του κατάλληλου μοντέλου και του δείγματος της μελέτης, και των πειραματικών πρωτοκόλλων προαναλυτικών σταδίων, δηλ. συλλογής και χειρισμού δειγμάτων, και εάν χρειάζεται διαπότισης (perfusion) των ιστών, και των αναλυτικών σταδίων ποσοτικοποίησης του μεταβολικού προτύπου, η μεταβολομική βρίσκεται ακόμα σε στάδιο προτυποποίησης για ένα ευρύ σύνολο τύπων δείγματος, πειραματικών μοντέλων και εφαρμογών. Επίσης, στο υπολογιστικό τμήμα της μεταβολομικής ανάλυσης, η επεξεργασία, το φιλτράρισμα, η κανονικοποίηση και η ανάλυση των δεδομένων απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή και χειρισμό. Τέλος, η ανακατασκευή του μεταβολικού δικτύου που αντιστοιχεί στα μεταβολομικά δεδομένα αποτελεί πρόκληση, καθώς δεν υπάρχουν γενικώς αποδεκτά μεταβολικά μοντέλα για τους ιστούς θηλαστικών, ενώ υπάρχουν πλήθος ανοιχτά ερωτήματα ως προς τις αντιδράσεις που είναι ενεργές σε έναν ιστό και το εάν τα μόρια που προσδιορίζονται είναι ενδογενή ή προέρχονται από άλλους ιστούς στους οποίους παράγονται. H παρούσα διατριβή στόχευσε στην αριστοποιημένη εφαρμογή της μεταβολομικής ανάλυσης, με χρήση χρωματογραφίας αερίων-φασματομετρίας μάζας στο πλαίσιο δύο διακριτών μελετών μεταβολικών διαταραχών, η μια στο πλαίσιο της μεταφραστικής ιατρικής και η δεύτερη σε ζωϊκό μοντέλο. Στην πρώτη μελέτη, διερευνήθηκε η χρησιμότητα της μεταβολομικής ανάλυσης πλάσματος αίματος για τον προσδιορισμό μιας μεταβολικής υπογραφής, διακριτικής υγιών ατόμων ως προς την ιστοευαισθησία τους στα γλυκοκορτικοειδή, όταν δεν φέρουν μεταλλάξεις ή πολυμορφισμούς στο γονίδιο του ανθρώπινου υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών (hGR), NR3C. Στην δεύτερη εφαρμογή, μελετήθηκε η επίδραση του χρόνιου υποθυρεοειδισμού ενηλίκων (ΧΥΕ) στον καρδιακό ιστό σε μοντέλο μυός χημικής επαγωγής της φυσιολογίας, και στα δύο φύλα και δύο στάδια χημικής επαγωγής της διαταραχής, διερευνώντας φυλοειδικές διαφορές εξέλιξης της νόσου και συγκρίνοντάς τις με αποτελέσματα μεταβολικής φαινοτύπησης εγκεφαλικών περιοχών των ίδιων ζώων. Η μελέτη ιστοευαισθησίας στα γλυκοκορτικοειδή ήταν η πρώτη αυτού του είδους διεθνώς και κατέδειξε ότι υπάρχει διακριτό μεταβολικό πρότυπο λόγω ιστοευαισθησίας στα γλυκοκορτικοειδή, που θα πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω σε συνδυασμό με άλλα ομικά πρότυπα, κυρίως το πρωτεϊνωματικό. Παρατηρήθηκε υψηλότερος ρυθμός του κύκλου Cori, του μονοπατιού των πολυολών και του μεταβολισμού ενός άνθρακα, και χαμηλότερος ρυθμός μεταφοράς λιπαρών οξέων (lipid acid mobilization) στην κατάσταση νηστείας, στην πιο ευαίσθητη σε σύγκριση με την πιο ανθεκτική ομάδα. Εντοπίσαμε μια μεταβολική υπογραφή 19 μεταβολιτών, που εμφανίζει σημαντική διαφορά στη συγκέντρωση μεταξύ των δύο ομάδων, υποστηρίζοντας τη συσχέτιση της ιστοευαισθησίας στα γλυκοκορτικοειδή με την αντίσταση στην ινσουλίνη και τα μονοπάτια που σχετίζονται με το μεταβολικό σύνδρομο. Σε συνδυασμό με τα κλινικά συμπτώματα, θα μπορούσε να εφαρμοστεί ως διαγνωστικό εργαλείο ιστοευαισθησίας υγιών ατόμων στα γλυκοκορτικοειδή. Στη μελέτη μεταβολικής φαινοτύπησης του καρδιακού ιστού μυός σε συνθήκες χημικής επαγωγής υποθυρεοειδισμού με τη χρήση KClO4 στο πόσιμο νερό BALB/cJ μυών, ανακατασκευάστηκε λεπτομερές δίκτυο αντιδράσεων κεντρικού μεταβολισμού άνθρακα καρδιάς μυός με βάση τα μεταβολομικά δεδομένα αυτής και προηγούμενων μελετών του εργαστηρίου σε μοντέλα μυός, ενδελεχή εξέταση της βιβλιογραφίας και βιολογικών βάσεων δεδομένων. Η ερμηνεία των μεταβολομικών αποτελεσμάτων στο πλαίσιο αυτού του μεταβολικού δικτύου κατέδειξε διακριτό μεταβολισμό της καρδιάς μεταξύ των δύο φύλων. Αυτή είναι και η αιτία διαφορετικής αντίδρασής τους στον υποθυρεοειδισμό, που χαρακτηρίζεται από μείωση των επιπέδων γλυκόζης και άλλων μεταβολιτών προερχόμενοι από το αίμα. Στους αρσενικούς μύες, ο μεταβολισμός της καρδιάς βασίζεται κατά κύριο λόγο στην οξείδωση της γλυκόζης και λιγότερο στην οξείδωση των λιπιδίων, σε αντίθεση με τους θηλυκούς. Αυτό πιθανότατα αιτιολογεί γιατί ο μεταβολισμός του καρδιακού ιστού των θηλυκών δεν επηρεάζεται στην αρχή της επαγωγής (δηλ. στις 45 ημέρες χορήγησης KClO4), ενώ στα αρσενικά έχει αρχίσει η επαγωγή του οξειδωτικού στρες και ο καρδιακός ιστός αντιδρά με αύξηση της οξείδωσης των λιπιδίων και αναπλήρωσης του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA). Στο πιο προχωρημένο στάδιο της φυσιολογίας (δηλ. στις 60 ημέρες χορήγησης), και ο καρδιακός ιστός των θηλυκών βρίσκεται σε συνθήκες οξειδωτικού στρες, που υποδηλώνεται από την αύξηση της οξείδωσης των λιπιδίων, αναπλήρωσης του TCA κύκλου, του μεταβολισμού ενός άνθρακα και της οξείδωσης της γλυκόζης.Στα αρσενικά, ο καρδιακός ιστός είναι σε πιο προχωρημένο στάδιο οξειδωτικού στρες, αντιδρώντας με την παραγωγή αντιοξειδωτικών μορίων και οξείδωση των γλυκολιπιδίων. Σημειώνεται ότι είναι η πρώτη φορά που καταδεικνύεται αυτή η διαφορά μεταξύ του μεταβολισμού του καρδιακού ιστού ανάμεσα στα δύο φύλα ως η βασική αιτία διαφορετικής απόκρισης στον υποθυρεοειδισμό και σε διαφορετικά στάδια επαγωγής του. Η ανάλυση του μεταβολικού προτύπου εγκεφαλικών περιοχών στις 45 ημέρες χορήγησης παρατηρήθηκε ότι ο αρσενικός μεσεγκέφαλος, ιππόκαμπος και ραβδωτό, αλλά και ο θηλυκός μεσεγκέφαλος και ιππόκαμπος, εμφανίζονται επηρεασμένοι από την διαταραχή συγκριτικά με την ομάδα αναφοράς. Τέλος, οι φυλοειδικές διαφορές καταδεικνύουν την ανάγκη διερεύνησής τους και διακριτής αντιμετώπισης των δύο φύλων ως προς αυτές για την διάγνωση και αντιμετώπιση διαταραχών με κατάλληλα προσαρμοσμένες αγωγές και φάρμακα. Η μελέτη συνέβαλε στην εξέλιξη της γνώσης σχετικά με τα μεταβολικά μονοπάτια ρυθμιστικής αλληλεπίδρασης μεταξύ ιστών, παρέχοντας περισσότερες πληροφορίες για την ανακατασκευή ενός ευρύτερου μεταβολικού μοντέλου που να περιγράφει αξιόπιστα τη μεταβολική φυσιολογία μυός σε επίπεδο οργανισμού, και υπογραμμίζει τη σημασία της συνεκτίμησης των διαφορών φύλου στις έρευνες παθοφυσιολογίας του υποθυρεοειδισμού.