LA NOSTRA IMPRONTA DIGITALE METABOLICA

Il progetto del vincitore del Premio Sapio Ricerca Senior costituisce un caso esemplare di sviluppo di un approccio altamente innovativo, la metabolomica, per affrontare problematiche di frontiera, come la predizione e diagnosi precoce di patologie.
Intervista a Claudio Luchinat, CERM (Centro di Risonanze Magnetiche), Università di Firenze e Leonardo Tenori, Dipartimento di Medicina Sperimentale e Clinica, Università di Firenze

Prof. Luchinat, che cos’è e come nasce la metabolomica?
La metabolomica è lo studio sistematico delle impronte chimiche correlate ai processi cellulari. La metabolomica studia il metaboloma, ossia l'insieme di tutte le piccole molecole (metaboliti) prodotte da un organismo biologico. I metaboliti possono essere considerati come il risultato finale dell’espressione genica e dell’interazione dell’organismo con l’ambiente circostante, in quanto costituiscono i prodotti finali del funzionamento del macchinario cellulare.

La metabolomica nasce nel contesto dello sviluppo delle così dette “scienze omiche” che si sono affermate come un nuovo paradigma nell’indagine biologica a partire dai primi anni di questo secolo, in conseguenza del grande successo del progetto di sequenziamento del genoma umano. Dalla genomica, che è stata la prima nata tra le scienze omiche, e che ha per oggetto lo studio del genoma (l’insieme di tutti i geni di un individuo), si sono sviluppate la trascrittomica (che studia come i geni vengono tradotti in proteine), la proteomica (che studia il proteoma, cioè l’insieme delle proteine), e infine la metabolomica. Il suffisso “omico”, che caratterizza queste discipline deriva dal Sanscrito OM (pienezza e completezza) e fa riferimento a una visione globale delle molecole biologiche nel loro insieme: le scienze “omiche” permettono di ottenere una grande quantità di informazioni sui sistemi biologici nel loro complesso, acquisendo i dati da analizzare senza formulare ipotesi a priori. I livelli dei metaboliti in un fluido biologico possono quindi cambiare in base sia a fattori genetici che ambientali. Anche la più piccola variazione o disfunzione sistemica può avere delle ripercussioni sulla concentrazione di alcuni metaboliti oppure provocarne la comparsa di nuovi solitamente non presenti. Poiché tali variazioni sono direttamente correlate a svariati fattori non patologici quali sesso, età, dieta, ritmi fisiologici, genotipo, stress ma anche, in linea di principio, a tutte le malattie che provocano o sono dovute a scompensi del metabolismo, appare evidente il grande potenziale in campo clinico della metabolomica. Si usa dire che i dati genetici spiegano ciò che potrebbe accadere a un organismo in termini di probabilità (si pensi ad esempio ad alcune variazioni nel codice genetico che predispongono, in termini statistici, a malattie cardiovascolari o oncologiche). In questi casi però è difficile impostare strategie terapeutiche preventive, anche perché non è sempre chiaro quanto il rischio sia elevato e quanto sia possibile incidere su tale rischio con lo stile di vita. Il profilo metabolico invece fornisce un'istantanea della fisiologia di quella cellula o di quell’organismo, descrivendo ciò che effettivamente sta accadendo. Di conseguenza, se la metabolomica rileva la presenza di una patologia, anche se i sintomi clinici non sono comparsi, vuol dire che quella patologia è realmente in atto e sta già influenzando il metabolismo. Mediante opportune tecniche analitiche è possibile quindi “scattare un’istantanea” dell’insieme dei metaboliti presenti in un particolare fluido biologico in quel particolare momento.

Quali sono i campioni biologici più comuni utilizzati in metabolomica e quali sono le tecniche analitiche più comunemente impiegate? 
I campioni biologici più comuni utilizzati in metabolomica sono il siero (o plasma) e le urine, perché possono essere raccolti in modo poco invasivo, sono ricchi di informazioni biologiche a livello sistemico e sono i campioni più facilmente disponibili in ambito clinico. Comunque, qualunque altro fluido biologico può essere utilizzato, senza grosse limitazioni: per esempio noi abbiamo impiegato anche saliva (per lo studio delle patologie del cavo orale), liquido cerebrospinale (per studiare le patologie neurodegenerative), condensato di respiro (per le patologie polmonari), estratti fecali (da cui si può studiare anche il metabolismo della flora batterica intestinale). Altri biofluidi utilizzabili sono bile, liquido seminale, liquido amniotico, liquido sinoviale, lacrime, sudore. Inoltre, si possono analizzare anche colture cellulari e tessuti interi (es. biopsie tumorali). La spettrometria di massa (MS) e la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) rappresentano le tecniche analitiche più comunemente impiegate per l’analisi metabolomica. Noi, lavorando in un centro dedicato all’NMR, lavoriamo in prevalenza con quest’ultima tecnica. Mentre la prima è molto più sensibile (in termini di possibilità di rilevare anche metaboliti in bassa concentrazione), la seconda è più accurata (in termini di robustezza e riproducibilità dell’analisi). Inoltre, altri vantaggi dell’NMR sono 1) la rapidità dell’analisi medesima (circa dieci minuti per un esperimento standard), 2) l’assenza quasi totale della necessità di pretrattare i campioni da analizzare (rendendo le procedure particolarmente semplici e riducendo ulteriormente il tempo di analisi totale), 3) la possibilità di analizzare le molecole a prescindere dalla loro natura chimica, ossia la possibilità di ottenere un “fingerprint metabolico” indipendentemente da conoscenze a priori sulla natura delle molecole osservate. Quindi mentre l’NMR è più adatta per una analisi “untargeted” (cioè senza fissare a priori i metaboliti da cercare), la spettrometria di massa è più adatta per una analisi “targeted” (cioè per cercare metaboliti specifici, anche in bassissima concentrazione). Di conseguenza le due tecniche sono assolutamente complementari.

Gli studi effettuati nel laboratorio CERM dell’Università di Firenze hanno fornito la prima evidenza sperimentale dell’esistenza di un fenotipo metabolico individuale. Di che cosa si tratta? 
I nostri studi hanno dimostrato che esiste una impronta metabolica individuale (fenotipo metabolico, o metabotipo) che è specifica di ciascun individuo. Questo “fingerprint” caratterizza ognuno di noi al punto che, dato un campione incognito di urina, è possibile, attraverso uno spettro NMR, associarlo al rispettivo donatore con una accuratezza di quasi il 100%. Questo fingerprint è molto stabile: abbiamo verificato sperimentalmente che è possibile riconoscere uno stesso individuo anche dopo dieci anni dal primo campionamento. Tuttavia, il fingerprint non è immutabile, ovvero in caso di eventi importanti per la nostra salute il fingerprint individuale si altera, e noi possiamo rilevare tali alterazioni. Se la condizione è transitoria, anche la modifica del fenotipo metabolico lo è: terminata la condizione che ha determinato l’alterazione (ad esempio una patologia), il fenotipo metabolico ritorna nella sua posizione di equilibrio. Questa scoperta apre interessanti sviluppi per la medicina personalizzata.

Dott. Tenori, perché le potenzialità dell’analisi metabolomica sono molto più vaste rispetto agli attuali approcci analitici? 
Il principale vantaggio della metabolomica consiste nella sua capacità di poter fornire contemporaneamente molte informazioni diverse e su diverse patologie, senza necessariamente fare uno screening per una patologia particolare. Ad oggi, prima di fare una analisi, è necessario che il medico abbia un sospetto per una patologia particolare, e di conseguenza il paziente fa esami specifici per confermare o confutare il sospetto del medico. Patologie diverse richiedono poi indagini differenti su biomarker specifici. Con la metabolomica è sufficiente un solo spettro NMR che contiene tutta l’informazione. Il singolo spettro può essere confrontato con i fingerprint specifici delle diverse patologie e può fornire indicazioni, anche precoci, sullo stato di salute del paziente. Per fare questo è necessario aver creato prima un ampio database di profili specifici delle diverse malattie. Ma una volta preparato l’“archivio”, con una singola analisi, in linea di principio, sarà possibile avere immediatamente uno screening su tutte le patologie studiate.

Quali sono le applicazioni in ambito biomedico? 
Innanzitutto, come detto prima, l’applicazione della metabolomica che a noi piacerebbe portare a compimento è quella di tecnica di screening di popolazione di ampio raggio e a basso costo, con benefici per i pazienti e abbattimento di costi per il servizio sanitario. Comunque, le applicazioni sono molteplici, ad esempio: previsione del rischio di recidiva in donne operate con tumore al seno, diagnosi precoce di scompenso cardiaco, previsione del rischio di morte dopo infarto del miocardio, tanto per fare alcuni esempi di studi da noi portati avanti. Oppure il fingerprint metabolico può essere usato per valutare, prima della terapia, chi risponderà o meno ad essa, evitando di somministrare terapie (anche pesanti) a chi non ne avrà benefici. Si può usare la metabolomica per studiare la risposta dei pazienti a interventi operatori (vedi il caso di un nostro studio sulla chirurgia bariatrica), o farmacologici, o dietetici e di stile di vita. Infine, a parte le immediate applicazioni cliniche, la metabolomica è uno strumento scientifico importantissimo per studiare e caratterizzare i meccanismi biochimici correlati all’insorgenza delle patologie, quindi per fare studi di biomedicina a livello molecolare.

Si può dire che la metabolomica apre la strada a un nuovo paradigma nella medicina preventiva e personalizzata? 
Certamente sì. Questa è proprio la nostra idea di metabolomica: uno strumento per passare dalla tipica medicina reattiva alla medicina preventiva, in cui le malattie verranno intercettate sulla base delle variazioni del profilo metabolico del singolo paziente (e quindi personalizzata prima ancora che i sintomi siano percepibili.

Prof. Luchinat, Lei ha avuto tantissimi riconoscimenti per il suo lavoro. Aggiudicarsi il Premio Sapio Ricerca che cosa significa? 
Io mi ritengo molto fortunato per aver avuto nella mia vita la possibilità di dedicarmi alla ricerca scientifica. Quello dello scienziato non è un mestiere, non è un lavoro, è prima di tutto una passione. La soddisfazione che si ha tutte le volte che si fa una scoperta è impagabile, e se la scoperta può avere ricadute positive sulla società la soddisfazione è moltiplicata per mille. Ricevere un premio, per giunta prestigioso come il Premio Sapio, per una scoperta che ha potenziali applicazioni benefiche è un bellissimo segnale che la società si è accorta del piccolo contributo dato dal singolo ricercatore e lo apprezza. È quindi una iniezione di entusiasmo, non solo per chi riceve il premio ma anche per tutti i suoi collaboratori. La ricerca non si fa mai da soli, e i collaboratori sono spesso giovani contagiati dalla stessa passione che anima il ricercatore senior. Un premio al lavoro di gruppo alimenta questa passione, e aiuta a consolidare nelle generazioni successive la convinzione che una vita dedicata alla ricerca è una vita veramente degna di essere vissuta.



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