• Suomi
  • English

Metabolomiikka mittaa ja analysoi sairauden, ruokavalion tai lääkityksen aiheuttamia muutoksia aineenvaihdunnassa

Aineenvaihdunnan eli metabolian aikana syntyy ja hajoaa molekyylejä, joilla osalla on vaikutus myös terveyteen. Niiden pitoisuuksia mitataan verestä, virtsasta ja kudosnäytteistä. Metabolomiikan avulla saadaan selville biomarkkereita, jotka voivat kertoa elintavoista, ruokavaliosta, sairauksista sekä lääkityksen ja muiden vierasaineiden vaikutuksista.

 

Yhdellä mittauksella saadaan tietoa sadoista, jopa tuhansista aineenvaihduntatuotteista eli metaboliiteista. Lisäksi samassa mittauksessa näkyvät myös elimistön ulkopuolelta tulleet yhdisteet kuten lääkkeet, ympäristömyrkyt ja nautintoaineet.

”Metabolomiikka mahdollistaa aineenvaihdunnallisten ilmiöiden laaja-alaisen tarkastelun. Näin saadaan erittäin laaja kuva esimerkiksi elimistön biokemiallisesta tilasta,” sanoo professori Seppo Auriola Itä-Suomen yliopiston farmasian laitokselta. Auriola on myös Kuopion LC-MS Metabolomiikkakeskuksen johtaja. Keskus on osa Suomen Biokeskuksen infrastruktuuriverkostoa.

Yksi metabolomiikassa käytetty analyyttinen työkalu on nestekromatografia yhdistettynä korkean erotuskyvyn massaspektrometriaan. Nestekromatografia-massaspektrometriaa (LC-MS) käytetään näytteistä löytyvien yhdisteiden seulomiseen ja tunnistamiseen. Nestekromatografi erottelee yhdisteet niiden rasvaliukoisuuden mukaan ja massaspektrometrilla mitataan eroteltujen yhdisteiden tarkat molekyylipainot. Metabolomiikassa käytetään termiä ”molekyyliluonne”, joka tarkoittaa ionisaatiossa ja mittauksessa yhdisteestä syntyvää signaalia.

”Metabolomiikassa pyrimme löytämään tilastollisesti eroavat molekyyliluonteet eri tutkimusryhmien välillä. Näitä voivat olla esimerkiksi sairaat versus terveet. Metabolomiikka pyrkii myös tunnistamaan nämä molekyyliluonteet molekyyleiksi erilaisten spektroskopiaan perustuvien tekniikoiden avulla. Meidän laboratoriomme hyödyntää tähän massaspektrometriaa,” sanoo laboratorionjohtaja Marko Lehtonen.

Metabolomiikkamittaukset voidaan jakaa kohdentamattomiin ja kohdennettuihin menetelmiin. Lähtökohta kohdentamattomassa analyysissä on se, että tutkittavasta näytteestä pyritään löytämään mahdollisimman laaja joukko metaboliitteja. Kohdennetussa analyysissä puolestaan seurataan rajattua joukkoa tunnettuja metaboliitteja.

Kohdentamattomat mittaukset voivat toimia hyvänä lähtökohtana hypoteesin luomiseen.

”Ensimmäisellä seulonnalla nähdään niitä aineenvaihduntatuotteita, jotka ovat muuttuneet esimerkiksi tietyn altistuksen jälkeen. Sitten mietitään teoriaa eli miksi näin on käynyt”, sanoo Auriola, joka on keskittynyt työssään analyyttiseen kemiaan ja tutkittavien näytteiden mittaustekniikkaan.

Ruokavalio ja elintavat näkyvät aineenvaihduntatuotteissa

Metabolomiikan avulla voidaan tutkia ravintoaineiden vaikutuksia. Miksi jotkut ravintoaineet ovat välttämättömiä, mihin aineenvaihduntareaktioihin ne osallistuvat tai mitä reittejä ne rajoittavat.

 

Koska metabolomiikan mittausmenetelmät tehostuvat, saadaan parempaa mittausdataa esimerkiksi ihmisten elintapojen ja ympäristön vaikutuksesta terveyteen. Ruokavalio on yksi merkittävimmistä ulkoisista tekijöistä, jotka vaikuttavat aineenvaihduntaan.

”Metabolomiikka soveltuu erinomaisesti juuri ravitsemustutkimuksiin.

Analyyseissa löytyy selviä markkereita, mitä joku on syönyt ja miten ne vaikuttavat ihmisten endogeenisiin yhdisteisiin,” Auriola sanoo.

Endogeeniset aineita ovat kaikki kehon tuottamat yhdisteet, kuten hormonit ja välittäjäaineet. Niitä ovat esimerkiksi endokannabinoidit, steroidit sekä endorfiinit.

”Voimme tutkia, vaikuttaako elintapojen muuttaminen terveellisemmäksi myös metaboliittien tasoihin. Tämä olisi osoitus siitä, että elimistö voi paremmin. Metabolomiikan avulla voidaan myös etsiä sairauksien biomarkkereita varhaisessa vaiheessa ennen sairauksien puhkeamista. ”

 

Vierasaineiden vaikutukset ihmiseen

Sairauden, ruokavalion tai lääkityksen aiheuttamia muutoksia aineenvaihdunnassa voidaan seurata ja ymmärtää Mittauksista saadaan biologisen näytteen metaboliittipitoisuudet Pitoisuuksia ja niiden muutoksia analysoimalla saadaan selville esimerkiksi vierasaineen vaikutus elimistössä.

 

Toinen merkittävä metabolomiikan analyysikohde ovat eksogeeniset eli elimistön ulkopuoliset yhdisteet, kuten lääkkeet ja ympäristömyrkyt. Tällöin etsitään biomarkkereita esimerkiksi siitä, miten lääke vaikuttaa elimistössä.

Tärkeä kysymys on Auriolan mielestä myös se, miksi joku aine vaikuttaa meihin negatiivisesti. Silloin voidaan etsiä aineenvaihduntatuotteista sellaisia biomarkkereita, jotka osoittavat ihmisen altistumista vierasaineelle tai vierasaineen vaikutusta ihmiseen. Sellaisia on esimerkiksi torjunta-aineiden vaikutus ihmisten terveyteen.

”Torjunta-aineiden kaikkia vaikutusmekanismeja ei tiedetä.

Kun menetelmät kehittyvät, nähdään paremmin minkälaisia vaikutuksia on elimistössä tiettyjen altistusten yhteydessä. Voidaan mitata ihmispopulaatioista, mikä on ympäristömyrkkyjen taso ja vastaavasti endogeenisten metaboliittien taso. ”

Itä-Suomen yliopiston ja Karolinska Instituten tutkimuksessa selvitettiin polykloorattujen bifenyylien eli PCB-yhdisteiden vaikutusta hiirten jälkeläisiin. Pitkään on tiedetty, että suurin näiden aineiden vaikutus kohdistuu kehittyvään elimistöön. Eläinkokeissa on todettu eri elinten kehityshäiriöitä. Kun jälkeläisten metabolomiikkaprofiileja tutkittiin, huomattiin, että tiettyjä muutoksia havaittiin koirailla. Nämä muutokset kuitenkin puuttuivat naarailla. PCB -yhdisteiden aiheuttamat metaboliittien muutokset koirailla vaikuttivat maksan ja hermoston toimintaan.

”Voidaan seurata minkälaisia muutoksia seuraavassa sukupolvessa on, tietämättä etukäteen, mitä sieltä pitäisi etsiä, sanoo Auriola.

”LC-MS -laitteistojen ja kohdentamattoman metabolomiikka -menetelmän avulla löydetään tuhansien mitattavien molekyylien joukosta ne molekyylit, jotka ovat muuttuneet.”

Molekyyliluonteita etsitään algoritmien avulla. Helsingin ja Itä-Suomen yliopiston tutkimuksessa analysoitiin vastasyntyneiden napanuorista löytyneitä yhdisteitä. Raskausmyrkytys (pre-eklampsia) on yksi yleisimmistä äitiyskuoleman ja ennenaikaisen synnytyksen syistä. Sen kehittymisen syitä ei tunneta tarkasti. Sen tiedetään lisäävän äidin ja lapsen riskiä sairastua myöhemmin sydän- ja verisuonitauteihin. Ei kuitenkaan tiedetä miten myrkytyksen saaneiden äitien muuttunut aineenvaihdunta vaikuttaa vastasyntyneiden aineenvaihduntaan. Vastasyntyneiden napanuoran kudoksen metaboliitit analysoitiin LC-MS -laitteistolla Kuopiossa raskausmyrkytyksen saaneiden ja terveiden välillä. Tutkimuksessa käytettiin myös suomalaisia FINNPEC (Finnish Genetics of Pre-eclampsia Consortium) -aineistoja. FINNPEC -kohortin keräämiseen ovat osallistuneet kaikki Suomen yliopistosairaalat.

”Useat eri tutkimusprojektit käyttävät laboratoriomme palveluja”, sanoo  Marko Lehtonen. Laboratoriossa on mitattu esimerkiksi diabeteksen ja Alzheimerin tautiin liittyvien tutkimuksen näytteitä. Lehtosen mukaan metabolomiikka tuo paljon lisätietoa myös harvinaisten ja perinnöllisten sairauksien tutkimukseen.

”Vastasyntyneiden seulontaa tehdään kohdennetuilla mittauksilla. Se on myös erinomainen esimerkki, jossa metabolomiikalla voi olla suuri merkitys. Siinä yhteiskunta säästää rahaa. Tietyillä elimistössä esiintyvillä biomarkkereilla voidaan löytää vastasyntyneillä perinnöllisiä sairauksia,” sanoo Lehtonen.

 

 

Kaikkia molekyylejä ei havaita vielä

Nykyisillä laitteilla ei kaikkia metaboliitteja voi vielä mitata.

”Yhdisteet ovat näytteessä niin pieninä pitoisuuksina, että nykyisin tarvitaan myös kohdennettuja menetelmiä. Laitetekniikoiden kehittyessä voidaan tulevaisuudessa toivoa, että yhä useamman aiemmin näkemättä jääneet yhdisteet näkyvät myös kohdentamattomilla menetelmillä. Tällöin emme hävitä muuta tietoa näytteestä. Kohdennetut menetelmät nimittäin seuraavat vain ennalta rajattua joukkoa yhdisteitä ja ovat sokeita kaikelle muulle tiedolle”, sanoo Lehtonen ja korostaa, että kohdentamattoman menetelmän data sisältää paljon tietoa, josta voidaan aina etsiä uusi asioita.

Kun laitteiden herkkyydet parantuvat, päästään havainnoimaan todella pieniä molekyylejä. Silloin puhutaan pikogrammoista ja nanogrammoista litraa kohden. Yksi pikogramma on gramman triljoonasosa ja yksi nanogramma on gramman miljardisosa.

”Nyt näemme tuhansia molekyylejä, mutta monia tärkeitä molekyylejä on vielä havaintorajan alapuolella, sanoo Seppo Auriola.

”Esimerkiksi steroideja löydetään näytteistä entistä enemmän mittaustekniikan kehittyessä. Näin voidaan tutkia endogeenisia steroideja ja niiden muutoksia.”

Näitä ovat esimerkiksi sukupuolihormonit, kuten testosteroni ja progesteroni sekä kortikosteroidit (mm. kortisoni ja kortisoli).

”Olemme mukana muun muassa projektissa, jossa tutkitaan lasten ja nuorten liikunnan ja elintapojen vaikutusta steroideihin ja muuhun metaboliaan. Toisissa tutkimuksissa etsitään steroidimetaboliaan valikoivasti vaikuttavia yhdisteitä, joita voitaisiin käyttää lääkkeenä.”

 

Laskentatehoa tarvitaan suuren datamäärän käsittelyyn

 

Massaspektrometriassa tutkittavat aineenvaihduntatuotteet ensin ionisoidaan. Ionisoituneet molekyylit erotellaan toisistaan niiden massan ja varauksen suhdeluvun avulla. Molekyyliluonteiden tunnistaminen on Lehtosen mukaan metabolomiikan viimeinen vaihe, jossa pyritään aukottomasti tunnistamaan tilastollisesti merkittävästi eroava metaboliitti kahden tai useamman tutkittavan ryhmän välillä.

Lehtonen haluaisi mallin, jossa laboratorion ja tutkimusten data olisi koneoppimisen pohjana.

”Vaikka näitä spektrejä voidaan vertailla massakirjastoissa oleviin pilkkoutumisspektreihin (tuoteionipyyhkäisyihin), niin ongelma tunnistamisessa on, että se on hyvin pitkälle manuaalista työtä. Jos siihen saisi oppivan algoritmin, joka etsii automaattisesti pilkkoutumisspektrejä ja vertaa niitä kirjaston muistissa olevaan eli malli voisi aukottomasti tunnistaa laboratorion aiempien mittausten tunnistamat yhdisteet. Se auttaisi tutkimustyössä paljonkin,” sanoo Marko Lehtonen.

Endogeeninen kannabinoidijärjestelmä liittyy moniin fysiologisiin ja patologisiin tiloihin. Jotta voisi paremmin ymmärtää etanolin ja ravinnonpuutteen vaikutusta sukkulamatoihin (C. elegans), tutkimuksessa seurattiin miten metaboliittiprofiili ja tietyt endokannabinoiditasot muuttuivat erilaisissa altistuksissa. Ravinnonpuute merkittävästi lisäsi mm. anandamidin, joka on yksi pääendokannabinoideista, määrää. Kuvassa on esimerkkinä käänteisfaasikromatografialla ja korkean erotuskyvyn massaspektrometrialla saadut tulokset. Hajontakuvio (volcano plot) näyttää tilastollisen merkittävyyden (p- value) verrattuna muutoksen suuruuteen (fold change). Toisessa akselissa ovat p-arvot t-testistä ja toisessa signaalitasojen muutokset tutkittavien ryhmien välillä. Yhdellä tällaisella kuvalla voidaan nähdä kahden eri tutkittavan ryhmän väliset tulokset.

Työkalujen ja datan yhdenmukaistaminen

Seppo Auriolan mielestä mittausdataa pitäisi pystyä hyödyntämään entistä enemmän. Ongelmana on datan saatavuus ja yhdenmukaisuus.

”ELIXIRissä on menossa useita toimintoja joissa pyritään yhdenmukaistamaan eri työkalujen käyttöä metabolomiikassa, jotta ne toimisivat hyvin yhteen keskenään. Myös mittausdata pyritään saamaan arkistoihin.”

Auriolan mielestä tieteellisen julkaisun lisäksi suuri osa alkuperäisestä mittausdatasta pitäisi olla muiden tutkijoiden käytössä jatkoanalyyseihin.

”Sen toinen vaihe on, mitä metadataa lisätään, minkälaista tietoa näytteistä pitää olla, kuinka ne on mitattu, kuinka valmistettu, minkälaiset tutkimusryhmät ovat olleet kyseessä. Kuinka tämä tieto kulkee mittausdatan mukana? Olennaista olisi, että kerralla suurella työllä mitattu data olisi vielä käytössä myöhempiin analyyseihin ja vertailuihin.”

Toinen haaste on käytössä olevat työkalut: kuinka poimitaan yhdisteitä ja kuinka niitä tunnistetaan, mitä ohjelmistoja tarvitaan kun lasketaan tuloksia, etsitään molekyylejä ja vertaillaan niiden määriä eri näytteissä. Kuinka asiat esitetään? Kuinka muutokset eri metaboliittien tasossa saadaan, kuinka ne löydetään metaboliittikartalta, missä metaboliareiteillä yhdisteet ovat ja mitenkä niiden pitoisuudet keskenään vaihtuvat? Miten tämä kuvataan selkeästi ja miten se tulos esitetään? Kaiken tämän yhdenmukaistamiseen tarvitaan työtä. Nyt tämä kaikki data ja työkalut on pieninä palasina eri ihmisten ohjelmistoissa.” sanoo Auriola.

Ari Turunen

Lue artikkeli PDF-muodossa.

CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy

CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keskitettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
http://www.csc.fi
https://research.csc.fi/cloud-computing

ELIXIR

ELIXIR rakentaa infrastruktuurin bioalan tutkimuksen tueksi. Se yhdistää 21 Euroopan maan ja Euroopan molekyylibiologian laboratorion EMBL:n johtavat organisaatiot yhteiseksi biologisen informaation infrastruktuuriksi. Sen Suomen keskus on CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy.
http://www.elixir-finland.org
http://www.elixir-europe.org