Capítulo 3-Identificación y detección de metabolitos

¿Qué es la metabolómica?

Como ya se ha comentado en capítulos anteriores, la metabolómica consiste en la identificación y cuantificación de pequeñas moléculas conocidas como metabolitos. Dado que estas pequeñas moléculas son necesarias para el crecimiento, la defensa, la inhibición y la estimulación de las células, y que su función puede verse afectada de forma significativa por una serie de factores como la edad, las enfermedades, los fármacos y el medio ambiente, su estudio es una poderosa herramienta para comprender la función biológica.

Los metabolitos son sensibles a una serie de factores diferentes, lo que convierte al metaboloma en una entidad fluida. Por tanto, la metabolómica, que puede caracterizar estos cambios moleculares dinámicos, puede considerarse un fenotipo longitudinal o un "estudio en movimiento". Esto convierte a la metabolómica en una herramienta especialmente poderosa para los estudios de series temporales, como las respuestas a regímenes terapéuticos. Este tipo de aplicaciones clínicas se tratarán en profundidad en el capítulo 5, Aplicaciones clínicas de la metabolómica.

Es importante reconocer que el metaboloma incluye no sólo metabolitos producidos por el propio organismo (como aminoácidos, alcoholes y vitaminas), sino también metabolitos ^exógenos1 procedentes del entorno, como alimentos, medicamentos o toxinas ambientales. Una gran parte de los estudios también investigan el metaboloma del microbioma y cómo éste también interactúa con los metabolomas del huésped y del entorno para influir en la patogénesis de enfermedades, la respuesta a fármacos, la adquisición de nutrientes, etc.

El metaboloma y las reacciones metabólicas

Los análisis basados en la metabolómica no son más que una observación de las reacciones metabólicas dentro del huésped. Los metabolitos son los productos finales de esas reacciones, y su identificación y cuantificación, especialmente a lo largo del tiempo, proporciona una buena ventana a la función biológica del huésped en un conjunto definido de condiciones.

Pero, ¿a qué nos referimos exactamente cuando hablamos de reacciones metabólicas? En pocas palabras, las reacciones metabólicas son reacciones químicas necesarias para mantener la vida. Existen dos tipos básicos de reacciones metabólicas: las catabólicas, que producen energía a partir de la descomposición de nutrientes, y las anabólicas, que generan compuestos. Algunos ejemplos de reacciones metabólicas son:

• Los hidratos de carbono de los alimentos se transforman en glucosa, que luego se utiliza para generar ATP (trifosfato de adenosina, la moneda energética de la célula).
• El organismo descompone los fármacos en formas más fáciles de excretar.
• Los aminoácidos se combinan y forman proteínas, que tienen miles de formas y funciones diferentes en el cuerpo humano.
• Las bacterias del intestino grueso descomponen la fibra en moléculas denominadas ácidos grasos de cadena corta, que actúan como fuente de energía para las células intestinales.

Mediante el muestreo frecuente del metaboloma a lo largo de un periodo de tiempo, los investigadores pueden empezar a comprender cómo y por qué determinados cambios y patrones metabólicos regulan o informan sobre el desarrollo de enfermedades, la eficacia de los fármacos y otros procesos fisiológicos. Por ejemplo, los investigadores han encontrado biomarcadores que pueden informar sobre ciertos tipos de cáncer y, profundizando más, otros biomarcadores que pueden diagnosticar y pronosticar otros tipos de cáncer^.2,3 En algunos casos, se ha dilucidado el mecanismo de acción que subyace a estas diferentes poblaciones de metabolitos y que puede incluir eventos moleculares como la alteración de la expresión génica, eventos de splicing alternativo o procesos celulares alterados.

Perfiles de metabolomas

Las técnicas basadas en la espectrometría de masas (EM) y la resonancia magnética nuclear (RMN) son las más utilizadas para capturar y analizar metabolomas^.4 En los casos en que los investigadores desean identificar los metabolitos en un conjunto de muestras, utilizamos un enfoque global no dirigido. Cuando el objetivo es cuantificar un conjunto de metabolitos conocidos (como en los estudios de metabolismo de fármacos), utilizamos la metabolómica dirigida. La metabolómica no dirigida se utiliza para generar hipótesis, mientras que la metabolómica dirigida se utiliza para probar hipótesis y comprender mejor los resultados de los estudios no dirigidos.

Para los análisis metabolómicos puede utilizarse una amplia gama de tipos de muestras, como células en cultivo o medios de cultivo, tejidos, heces, sangre, orina y sudor. La fuente de la muestra que utilice dependerá de lo que quiera estudiar; por ejemplo, seleccionará heces si quiere estudiar el impacto microbiano en la adquisición de nutrientes por parte del huésped, pero muestras de tejido si quiere identificar biomarcadores que diferencien tumores primarios y metástasis. Las muestras deben prepararse cuidadosamente en función de la cantidad y el tipo de muestra y de si se desea un enfoque dirigido o no. La preparación de muestras se tratará con más detalle en el Capítulo 9: Diseño de un estudio metabolómico.

¿Y ahora qué?

Ahora que comprende mejor cómo se detectan los metabolitos, en los capítulos siguientes entraremos en el meollo de los estudios metabolómicos: por qué son importantes, cómo pueden aplicarse a proyectos clínicos, académicos y comerciales, y cómo diseñar su propio estudio metabolómico. Comenzaremos el resto de nuestro viaje en el capítulo 4 con un debate en profundidad sobre la importancia de los conocimientos metabolómicos.

Referencias

1. Liu X, Locasale JW. Metabolomics: A Primer. Trends Biochem Sci. 2017;42(4):274-284. doi:10.1016/j.tibs.2017.01.004
2. Perkins BA, Caskey CT, Brar P, et al. Cribado de medicina de precisión utilizando secuenciación del genoma completo e imágenes avanzadas para identificar el riesgo de enfermedad en adultos. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018;115(14):3686-3691. doi:10.1073/pnas.1706096114
3. Shen J, Ye Y, Chang DW, et al. Circulating metabolite profiles to predict overall survival in advanced non-small cell lung cancer patients receiving first-line chemotherapy. Lung Cancer. 2017;114:70-78. doi:10.1016/j.lungcan.2017.10.018
4. Ashrafian H, Sounderajah V, Glen R, et al. Metabolómica: The Stethoscope for the Twenty-First Century. Med Princ Pract. 2021;30(4):301-310. doi:10.1159/000513545