Metabolomica inversa: un nuovo metodo trova biomarcatori per la malattia infiammatoria intestinale

Negli ultimi anni, la ricerca sul microbioma ha iniziato a spostare la propria attenzione dai microbi stessi alle molecole da essi prodotte. Dopotutto, sono queste molecole che interagiscono direttamente con le cellule umane per influenzare la salute di una persona. Ma cercare di identificare quali molecole vengono prodotte dal microbioma di una persona è piuttosto impegnativo. Un tipico studio di metabolomica può caratterizzare solo circa il 10% dei dati molecolari di un campione di microbioma umano.

In un nuovo studio pubblicato il 5 dicembre 2023 in Natura, gli esperti di microbioma dell’Università della California a San Diego debuttano con un nuovo approccio chiamato “metabolomica inversa”. La tecnica combina sintesi organica, scienza dei dati e spettrometria di massa per comprendere meglio quali molecole vengono secrete dal microbioma e come influenzano la salute umana.

Nella loro prima applicazione della metabolomica inversa, gli scienziati hanno trovato centinaia di molecole che non erano mai state osservate prima nel corpo umano. Utilizzando questi nuovi dati, sono stati in grado di identificare una nuova firma metabolomica per la malattia infiammatoria intestinale (IBD). Gli autori affermano che queste molecole potrebbero un giorno servire come biomarcatore per la diagnosi di IBD o come potenziale bersaglio terapeutico per aiutare a curare la malattia.

“Sappiamo che il microbioma è importante, ma non sappiamo quali tipi di molecole producono i microbi o quanto influiscono sul corpo umano”, ha affermato l’autore senior Pieter C. Dorrestein, PhD, professore alla Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Scienze alla UC San Diego. “La metabolomica inversa ci aiuta a valutare se è possibile trovare molecole specifiche nei campioni, a prevedere quali microbi le producono e a mettere in relazione queste firme metabolomiche con la salute e la malattia.”

In un tipico studio di metabolomica, i ricercatori utilizzeranno uno strumento chiamato spettrometria di massa per cercare diverse molecole in un campione. In questa tecnica, ogni molecola ha il proprio “codice a barre” con cui può essere identificata. Tuttavia, gli scienziati devono sapere cosa rappresentano questi codici a barre per descrivere il contenuto di un campione, il che rimane una sfida.

Nel nuovo studio, i ricercatori del Dorrestein Lab hanno adottato un approccio all’indietro. La prima autrice Emily C. Gentry, PhD, ora assistente professore alla Virginia Tech, ha utilizzato la sintesi organica per produrre prima migliaia di diverse molecole sintetiche da quattro classi di interesse, e poi ha definito ciascuno dei loro codici a barre.

I ricercatori hanno quindi utilizzato i dati metabolomici disponibili al pubblico, compresi quelli precedentemente raccolti tramite la Crohn’s & Colitis Foundation, e hanno cercato i nuovi codici a barre in tali dati. I risultati hanno rivelato che 145 degli acidi biliari sintetizzati erano presenti in campioni biologici provenienti da dati pubblici, 139 dei quali non erano mai stati descritti prima.

“Se leggi un libro di testo di biologia, nessuna di queste molecole sarà contenuta”, ha detto Dorrestein. “Non solo sono nuovi per la nostra comprensione della fisiologia umana, ma sono completamente nuovi per la scienza, il che è piuttosto sorprendente.”

Gentry e colleghi hanno poi confrontato le firme metabolomiche di campioni provenienti da diverse popolazioni di pazienti e hanno trovato una forte associazione tra una classe sintetizzata di molecole microbiche – gli amidati della bile – e le IBD. Questa associazione è stata poi convalidata in più coorti, supportando l’idea che queste molecole siano probabilmente coinvolte nella patologia delle IBD.

Guardando più da vicino, gli scienziati hanno notato che alcuni amidati della bile erano elevati nei pazienti con malattia di Crohn soprattutto quando avevano sintomi attivi, ma questo non era il caso dei pazienti con colite ulcerosa. Modelli come questi potrebbero un giorno essere utilizzati per aiutare a differenziare e diagnosticare tipi specifici di IBD.

I ricercatori hanno quindi iniziato a esplorare come queste molecole potrebbero influenzare la salute dell’intestino. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che diversi composti amidati della bile possono promuovere l’infiammazione intestinale disregolando la funzione delle cellule T. Ad esempio, un composto microbico ha prodotto un aumento di sei volte di una citochina chiave nota per essere coinvolta nella patogenesi del morbo di Crohn.

“Stiamo utilizzando la sintesi organica e la scienza dei dati per comprendere meglio come funzionano i nostri corpi a livello molecolare”, ha affermato Gentry. “Siamo anche uno dei primi studi a scoprire nuove molecole umane utilizzando dati di metabolomica disponibili al pubblico. Man mano che sempre più dati di metabolomica diventeranno disponibili al pubblico, la metabolomica inversa diventerà ancora più informativa.”

Gli autori affermano che le molecole che hanno descritto potrebbero un giorno ispirare nuove terapie per il trattamento delle IBD. Ad esempio, i pazienti potrebbero essere trattati con pillole contenenti microbi vivi che secernono molecole specifiche o farmaci che inibiscono gli enzimi con cui interagiscono queste molecole associate alla malattia.

“Si tratta di un risultato notevole derivante dalla nostra iniziativa sulla nutrizione di precisione, in cui il dottor Dorrestein aveva precedentemente dimostrato che la metabolomica inversa potrebbe identificare i metaboliti alimentari associati alla gravità della malattia nei pazienti con IBD”, ha affermato Andrés Hurtado-Lorenzo, PhD, vicepresidente senior di Translational Iniziative di ricerca e IBD presso la Crohn’s & Colitis Foundation. “Ora, questo lavoro innovativo ha fatto ulteriori progressi fino alla scoperta di nuovi metaboliti che hanno un potenziale per applicazioni sia diagnostiche che terapeutiche nelle IBD”.

I coautori dello studio includono: Morgan Panitchpakdi, Pedro Belda-Ferre, Marvic Carrillo Terrazas, Hsueh-han Lu, Simone Zuffa, Julian Avila-Pacheco, Damian R. Plichta, Allegra T. Aron, Mingxun Wang, Alan K. Jarmusch , Mashette Syrkin-Nikolau, Brigid Boland, Amy Hemperly, Niels Vande Casteele, Hiutung Chu, Rob Knight e Dionicio Siegel all’UC San Diego; Stephanie L. Collins, Fuhua Hao e Andrew D. Patterson presso la Pennsylvania State University; Allison K. Stewart e Erin S. Baker della North Carolina State University; Tingting Yan e Frank J. Gonzalez presso il National Institutes of Health; Hera Vlamakis, Clary B. Clish e Ramnik J. Xavier al Broad Institute del MIT e Harvard; e Ashwin N. Ananthakrishnan al Massachusetts General Hospital.

Lo studio è stato finanziato, in parte, dal National Institutes of Health (borse R01GM107550, R01AI67860, U01 DK119702, R00DK110534, P30ES025128, P42ES027704, P42 ES031009, T32DK007202 e ES103363-01), la Collabora tivo Microbial Metabolite Center (concessione R01DK13611701), il Crohn’s & Colitis Foundation (sovvenzione 675191), il Center for Computational Mass Spectrometry (sovvenzione P41GM103484), un accordo di cooperazione con la United States Environmental Protection Agency (STAR ​​RD84003201), il Pennsylvania Department of Health, la Tombros Foundation, le National Academies of Sciences , la Fondazione Gordon e Betty Moore e le borse di studio per laureati dell’Howard Hughes Medical Institute.