Metabolom

Der Begriff Metabolom bezeichnet eine Gesamtheit der niedermolekularen (unter 1500 Da) stoffwechselaktiven Bestandteile bzw. Metabolite eines biologischen Systems, das untersucht werden soll, sei es einer Zelle, eines Gewebes oder Organs oder einer biologischen Flüssigkeit. Je nachdem ob es sich bei den niedermolekularen Substanzen um solche handelt, die vom biologischen System selbst produziert oder von außen hinzugekommen sind, wird von einem endogenen und einem exogenen Metabolom gesprochen.

Über das Metabolom eines biologischen Systems lässt sich seine Stoffwechselaktivität charakterisieren, die wiederum Ausdruck der gesamten Genaktivität ist [1][2].

Zu einem Metabolom, beispielsweise einer Zellkultur, gehören alle Ingredienzien der Nährlösung sowie die Stoffwechselprodukte der Zellen, zu der des Blutplasmas oder Urins alle in ihm transportierten oder ausgeschiedenen Aminosäuren, kleine Peptide, Zucker, Fettsäuren, Vitamine, Mikro-RNA, Stoffwechselendprodukte wie Harnstoff, Harnsäure oder Bilirubin, Xenobiotika inkl. Medikamente etc..


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Das Wichtigste

Kurzgefasst
Das Metabolom ist die Gesamtheit der niedermolekularen Stoffwechselmoleküle in einer Untersuchungsprobe z. B. von Serum oder Urin. In herausragenden Fällen erweist sich das Muster dieser Moleküle als für eine bestimmte Krankheit charakteristisch und kann als komplexer Biomarker zur Diagnostik verwendet werden.

Durch die Untersuchung des Metaboloms in Serum oder Urin sind bereits eine Reihe komplexer Muster von Biomarkern entdeckt worden, die eine relativ aussagekräftige nichtinvasive Diagnostik von Krankheiten erlauben.

 

Untersuchung

Der Nachweis der Gesamtheit niedermolekularer Substanzen des Stoffwechsels erfolgt meist durch Gaschromatographie-Massenspektrometrie bzw. NMR-Spektroskopie. Das Molekülmuster von Bedingung A (z. B. einer aktiven Krankheit) wird mit der von Bedingung B (z. B. Krankheit unter Therapie) oder von Normalpersonen verglichen. Unterschiede werden daraufhin untersucht, ob mit ihnen die verschiedenen Zustände und Bedingungen unterscheidbar sind.

Diagnostische Bedeutung

Die klinisch wichtigsten Flüssigkeiten zur Untersuchung des menschlichen Metaboloms sind der Urin und das Blutserum bzw. Blutplasma.

Die Untersuchung eines Metaboloms kann zur molekularen Phänotypisierung und zur Suche nach Biomarkern bestimmter Krankheiten sowie zur Wirkung von Medikamenten genutzt werden.

Das Spektrum niedermolekularer Substanzen zeigt bei vielen bisher untersuchten Krankheiten eine „Metaboliten-Signatur“, die für sie charakteristisch und diagnostisch verwertbar ist. Die Suche nach solchen Signaturen hat bereits zu einer Reihe von Biomarkern für Krankheiten und ihre Aktivität geführt.

Beispiele

Metabolom bei akutem Koronarsyndrom

Der Vergleich beispielsweise der Gesamtheit niedermolekularer Substanzen (z. B. durch Gaschromatographie-Massenspektrometrie) im Blutplasma von Patienten mit akutem Koronarsyndrom ohne ST-Hebung und gesunden Kontrollpersonen ergab eine Reihe von Unterschieden, die als potentielle Biomarker in Betracht gezogen wurden. Der Nachweis von 5-OH-Tryptophan, 2-OH-Buttersäure und 3-OH-Buttersäure wurde als Zeichen von oxidativem Stress und Gewebshypoxie gewertet. Diese Metaboliten können daher als metabolomische Signatur eines akuten Koronarsyndroms angesehen und diagnostisch genutzt werden [3].

Metabolom bei Schizophrenie

Eine Studie weist nach, dass sich das Metabolom von Patienten mit Schizophrenie in 18 Metaboliten deutlich von dem gesunder Personen unterscheidet. Unter den auffälligen Metaboliten befinden sich hauptsächlich solche, die in den Energiestoffwechsel und der Metabolismus von Neurotransmittern involviert sind und oxidativen Stress anzeigen [4].

Metabolom bei Depression

In einer Studie werden im Urin von Patienten mit schwerer Depression 23 Metabolite gefunden, die eine Diskriminierung von gesunden Kontrolle zulassen. Von ihnen werden 6 als diagnostische Biomarker vorgeschlagen [5].

Metabolom bei chronisch entzündlichen Darmkrankheiten

Durch Analyse des Metaboloms von Serum und Urin von Patienten mit aktiver chronisch entzündlicher Darmkrankheit (IBD, inflammatory bowel disease), Patienten mit IBD im Remission und gesunden Probanden konnten verschiedene Metabolite festgestellt werden, die mit IBD-Aktivität verbunden waren. Eine Unterscheidung zwischen Colitis ulcerosa und Morbus Crohn konnte jedoch nicht gefunden werden. Die Analyse von Urinproben ergab im Gegensatz zu der von Serumproben ein Metabolitenmuster, das zur Unterscheidung von IBD in Remission und gesunden Kontrollen herangezogen werden kann [6].

In einer Untersuchung des Metaboloms von Stuhlproben wurde festgestellt, dass sich aktive IBD und gesunde Kontrollen sowie Colitis ulcerosa und Morbus Crohn, solange sie aktiv sind, unterscheiden lassen [7].

Verweise

Literatur

  1. ? J Bacteriol. 1998 Oct;180(19):5109-16
  2. ? J Proteome Res. 2007 Apr;6(4):1540-59
  3. ? Metabolomics. 2014;10(3):414-424
  4. ? Mol Biosyst. 2014 Jul 29;10(9):2398-406.
  5. ? J Proteome Res. 2013 Dec 6;12(12):5904-11
  6. ? World J Gastroenterol. 2014 Jan 7;20(1):163-74
  7. ? Metabolomics. 2015;11:122-133