Højteknologisk analyse af alle de små molekyler
Mange sygdomme skyldes fejl i stofskiftet, og de fleste lægemidler efterligner cellernes stofskifteprodukter. At kortlægge alle spillerne - det humane metabonom - bliver en gigantisk udfordring for den internationale forskning.
Af Jerzy W. Jaroszewski, Harald S. Hansen, Steen Honoré Hansen og Arne Schousboe.
Fra Lægemiddelforskning 2002
Kortlægningen af det humane genom var et syvmileskridt for videnskaben. Men kun en begyndelse. For at forstå den menneskelige organisme må vi kortlægge alle de proteiner, som generne danner, og få styr på de myriader af små organiske molekyler, som indgår i cellernes stofskifte og driver livsværket.
Generne rummer opskriften på en levende organisme, og de sikrer livets kontinuerlige eksistens og nedarvning af egenskaber gennem generationerne. Generne består af DNA, og tilsammen udgør de et genom. Kendskabet til det humane genom og til genomer fra dyr, planter og mikroorganismer bliver springbrættet til en ny bioteknologisk revolution.
Gener koder for proteiner, og proteinerne er cellernes arbejdsheste og vigtigste byggematerialer. Både gener og proteiner er kæmpestore molekyler. Generne er opbygget af fire byggesten, nukleotiderne, mens proteinerne dannes af 20 forskellige aminosyrer.
Hæren af metabolitter
Organismens giganter er dog ikke ene om at drive livets maskineri. En levende organismes funktion og beståen opretholdes især af et utal af små organiske molekyler.
Nogle af stofferne indgår i syntesen af de store biomolekyler. Andre skaffer cellen den nødvendige energi eller sender signaler mellem gener og proteiner og påvirker deres funktion. Atter andre små molekyler regulerer de biokemiske processer i kroppen, både i og mellem cellerne.
De små organiske molekyler er stofskifteprodukter - metabolitter - og tilsammen udgør de det humane metabonom, som nu for alvor får international opmærksomhed.
Hver eneste organisme og hver eneste celletype har sit eget metabonom: Metabolitterne omfatter benzinen i energistofskiftet, byggestenene til gener og proteiner, signalstoffer som hormoner og neutrotransmittere, og byggeklodserne til fedtstofferne i cellemembranerne. Men også affaldsstoffer fra de mange processer indgår i metabonomet.
Metabonom og medicin
Metabonomet er vigtigt i en farmaceutisk sammenhæng, fordi langt de fleste lægemiddelstoffer er små organiske molekyler, som ofte efterligner naturlige metabolitter for at udøve deres farmakologiske og terapeutiske funktion.
For eksempel påvirker det aktive stof i "lykkepiller" de processer, der reguleres af signalstoffet serotonin, som er en naturlig bestanddel af hjernecellernes metabonom. Når man tager medicin, indgår de aktive lægemidler og deres omdannelsesprodukter i personens eget metabonom.
Gennem analyse af metabonomer kan man opnå kendskab til de enkelte metabolitter og samspillet imellem dem - både under normale forhold og under sygdom. Dét har stor interesse for lægevidenskaben, fordi man får helt nye muligheder for at udvikle lægemidler, som kan rette op på et sygt stofskifte. Sygdomstilstande afspejler sig i ændrede koncentrationer af forskellige metabolitter i vævene, og derfor er metabolitprofiler et nyt og vigtigt redskab til at diagnosticere sygdomme.
Samtidig kan man følge op på medicinsk behandling, fordi både virkningen og eventuelle bivirkninger af et lægemiddel ændrer sammensætningen af metabolitter i cellerne. Hurtige og pålidelige metoder til analyse af metabonomer er en af forudsætningerne for fremtidig individuel terapi.
Sidst, men ikke mindst, er metabolitter fra planter og mikroorganismer ofte værdifulde lægemidler. Et par eksempler er morfin og penicillin, som er bestanddele af henholdsvis valmueplantens og skimmelsvampens metabonom.
Koblede analyseteknikker
- Billedet viser dele af det eksperimentelle udstyr til kombineret væskekromatografi og massespektrometri.
Metabonomstudier kræver, at analyse og strukturopklaring i stigende grad smelter sammen i én arbejdsproces. Det er muligt ved at sammenkoble flere metoder:
- Væskekromatografi finder metabolitterne i en celle eller et væv.
- Massespektrometri identificerer metabolitterne ved at bestemme deres vægt og ladning.
- Kernemagnetisk resonans (NMR) opklarer metaboliternes tredimensionelle strukturer og bestemmer deres atomare byggesten.
Den store udfordring
I modsætning til generne og proteinerne er den kemiske opbygning af metabolitterne uhyre varieret, og det samme gælder deres fysiske egenskaber. Derfor er en samlet analyse af metabonomer en kæmpestor udfordring.
På grund af den ensartede opbygning af gener og proteiner kan man stort set bruge de samme teknikker til at analysere henholdsvis alt DNA og alle blandinger af proteiner. Det gælder for alle celler i alle organismer - fra virus til mennesket.
Sådan forholder det sig ikke med metabolitterne. Studier af hele metabonomer og analyse af de enkelte komponenter kræver derfor nye, højteknologiske metoder. Samtidig må man integrere mange fagdiscipliner og holde styr på de enorme mængder af data, der frembringes af moderne analysemetoder.
Tidligere har man typisk isoleret en enkelt metabolit ad gangen for derefter at opklare dens kemiske og rumlige struktur. Dét slår ikke længere til. Analyse af metabonomer kræver udvikling af kombinerede metoder til separation og strukturopklaring, så man både får adskilt metabolitterne fra hinanden og bestemt deres struktur i ét hug.
Koblede analysemetoder kan sammen med metabonomdatabaser udvikles til kraftfulde værktøjer, der vil ændre forskningsverdenen. De analytiske traditioner i forskning og uddannelse på Danmarks Farmaceutiske Universitet vil sammen med adgangen til "state-of-the-art"-apparatur og et stort internationalt netværk af samarbejdspartnere gøre os til en del af denne udvikling.
- Kombineret højtryksvæskekromatografi og NMR-analyse har stor betydning ved undersøgelser af plantemetabonomer med henblik på at finde stoffer med interessante farmakologiske egenskaber. NMR-spektre af alle toppe i et kromatogram (tv.) optages løbende, hvorefter de ønskede stoffer (th.) kan isoleres og studeres nærmere.
Hjernens metabonom
- En NMR-analyse af fosforholdige fedtstoffer i hjernen kan afsløre sygdom i hjernen. A) viser en normal rottehjerne, B) viser en rottehjerne, som har været udsat for iskæmi som følge af iltmangel. Tallene markerer forskellige stoffer i rottehjernens metabonom.
Hjernen består af et uhyre kompliceret netværk af forskellige typer celler, som kommunikerer med hinanden med et væld af signalstoffer. Deres dannelse, frigivelse og genoptagelse er kontrolleret i en fin balance, som er forudsætningen for en normal hjernefunktion.
Derfor er der stor interesse i at opklare de biosyntetiske processer, der er involveret i dannelsen af signalstofferne. Signalstofferne findes i meget små mængder, og deres dannelse og omsætning kan kortlægges ved at mærke dem. En særlig del af hjernemetabonomet er fedtstofferne i hjernen, der fungerer som byggesten i cellemembranerne og som energilager. Desuden spiller fedtstoffer også en vigtig rolle som signalstoffer både i og mellem cellerne.
Et eksempel er endocannabinoiderne, som kan aktivere nervecellernes cannabinoide receptorer, som også påvirkes ved rygning af hash. Disse bioaktive fedtstoffer har mange farmakologiske effekter: Induktion af søvn, stimulering af appetit, sænkning af kropstemperaturen, smertehæmning og nedsat mobilitet.
Stoffer fra planter
Naturstoffer, som er metabolitter fra planter og dyr, har traditionelt været den mest succesrige kilde til nye lægemiddelstoffer. Metabonomanalyser kan forbedre udnyttelsen af naturens store apotek. Men det kræver langt mere effektive kemiske og farmakologiske metoder til kortlægning af plante- og dyremetabonomer, end de teknikker vi hidtil har rådet over.
I fremtiden vil eksperimentelle metoder til koblet adskillelse og strukturopklaring af metabolitter - i kombination med passende databaser - blive det primære værktøj i metabonomforskningen.
Genom, proteom og metabonom
Genomet, proteomet og metabonomet udgør tilsammen en levende organisme - f.eks. et menneske. Det humane genom er kortlagt, men kortlægningen af proteomet og metabonomet er først lige begyndt.
- Genomet er arveanlæggene og opskriften på en organisme.
- Proteomet er alle de proteiner, som generne danner i alle kroppens celler, på alle tidspunkter, livet igennem.
- Metabonomet er alle de små organiske molekyler, som dannes i cellerne, og som indgår i cellernes stofskifte.
