متابولومیک به عنوان زمینه تحقیقاتی بین رشته ای توجه دانشمندان زیادی را در سالهایی اخیر به خود جلب کرده است. یکی از قدرتمند ترین ابزارهای مطالعات متابولیکی، تشدید مغناطیس هسته NMR می باشد. در این مقاله مروری به جایگاه NMR در تشخیص زود هنگام بیماری و کشف شاخص های زیستی در مطالعات متابولیکی به منظور شناسایی متابولیتهای درگیر در فرآیند های شیمیایی مختلف )همچون بیماری، مصرف دارو ، مقایسه چند حالت فیزیولوژیکی و... پرداخت شده است NMR. به مانند یک پنجره ای است برای مشاهده ی دقیق اکثر ترکیبات شیمیایی موجود در مایعات زیستی )سرم، پلاسما، عصاره سلولی و… و سایر نمونه ها همچون )بافت ، ارگان و یا دیگر نمونه های جامد و یا نیمه جامد با روش طیف سنجی حالت جامد و طیف سنجی NMR در حال چرخش زاویه جادویی بدون نیاز به دستکاری نمونه و مشتق سازی مایعات مهم زیستی که محققین در سایر تکنیکهای آنالیز مجبور به استفاده هستند. تکرار پذیری بالای نتایج کار، زمان کوتاه آزمایش نسبت به سایر تکنیکها از مزایای این روش محسوب می شود. جایگاه کمومتریکس و آنالیزهای چند متغیره )آنالیزهای غیر نظارتی و نظارتی( در متابولومیک به دلیل های موجود از اهمیت شایانی برخوردار است.
طیف سنجی تشدید مغناطیس هسته (NMR) بر پایه تابش امواج الکترومغناطیس در ناحیه طول موج رادیویی بنا شده است در طیف سنجی NMRبر خلاف سایر طیف سنجی ها هسته اتم در فرایند جذب در گیر است . وقتی هسته اتم در میدان مغناطیسی قوی قرار می گیرد بین ترازهای انرژی اسپین هسته اختلاف ایجاد می گردد. جهت گیری های همسو و ناهمسوی اسپین هسته به انرژیهای متفاوتی منجر می شود. پدیده ی تشدید مغناطیسی هسته ای زمانی رخ میدهد که هسته های هم جهت میدان اعمال شده انرژی جذب کرده و جهت اسپین خود را نسبت به آن میدان تغییر دهند، این عمل به رزونانس یا تشدید موسوم است هسته هایی در تکنیک NMR قابل استفاده و ردیابی هستند که دارای عدد اتمی فرد یا عدد جرمی فرد یا هردو فرد باشند. از جمله آن ها میتوان به هیدروژن، کربن 13 و فسفر 31 اشاره کرد ابتدا نمونه تحت امواج رادیویی قرار می گیرد، سپس این امواج رادیویی توسط گیرنده رادیویی خاصی دریافت می شود و توسط الگوریتم تبدیل فوریه رمزگشایی انجام می شود و زبان هسته به زبان قابل فهم تبدیل می شود خروجی این تکنیک تولید یک طیف افقی وعمودی می باشد محور افقی بیانگر جابجایی شیمیایی و محور عمودی شدت سیگنال حاصل از میدان مغناطیسی را نشان می دهد می توان با کمک پیک های بدست آمده گروه های مولکول های مختلف را شناسایی کرد اغلب روش های مورد استفاده برای شناسایی و تشخیص بیماری ها مستلزم استفاده از روشهای تهاجمی و پر هزینه می باشند و همین طور دسترسی به ارگان هدف، نیاز به جراحی و روش های پیچیده پزشکی دارد ولی با استفاده از تکنیکهای طیف سنجی غیرتهاجمی می توان اطلاعات ضروری از مکانیسم بیماری های متابولیکی را فراهم کرد تا درک بشراز علت وقوع بیماری افزایش یابد.
در این میان حوزه تحقیقاتی متابولومیک به عنوان حوزه ای نسبتا نوظهور توانسته است توجه بسیاری از محققین را به خود جلب نماید. متابونومیکس را می توان بدین گونه تعریف نمود ، علم متابولومیکس یا متابونومیکس با مطالعه کمّی و کیفی متابولیت ها در واکنش به یک محرک بیماری زا یا تغییرات ژنتیکی در یک سیستم زنده سرو کار دارد. متابولیتها مولکول های آلی هستند با جرم مولکولی کمتر از ,1500 که از آن جمله می توان به ترکیباتی همچون قندها، نوکلئوزیدها ، اسیدهای آلی، کتون ها، اسیدهای آمینه، لیپیدها، استروئیدها ، آلدئیدها، آمین ها، اسیدهای آمینه، لیپیدها، استروئیدها ، آلدئیدها، آمین آلکالوئیدها، مواد غذایی، افزودنی های دارو و ... اشاره کرد.در شکل زیر طیف NMRبه دست آمده از یک پروتئین را مشاهده می کنید:
اهمیت و مزایای طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای در تحقیقات متابولیکی
مطالعات متابولومیکی بر پایه دو تکنیک مهم طیف سنجی جرمی (MS) و یا رزونانس مغناطیس هسته اتم بنیان نهاده شده است هر کدام دارای مزایا و محدودیتهایی می باشند، از مزایای تکنیک NMR نسبت به MS می توان به موارد زیر اشاره کرد به جداسازی آنالیت ها از نمونه خام نیازی ندارد و تکنیک غیر تخریبی می باشد یعنی نمونه پس از طیف گیری بازیافت می شود. تکرار پذیری بالای داده ها و توانمندی کمّی کار کردن با آن و محدوده دینامیک وسیع و امکان شناسایی ترکیبات نامعلوم با روشهای دوبعدی از مزایای NMR می باشد. به کمک این تکنیک با انتخاب برچسب های ایزوتوپ دار می توان مسیرهای متابولیکی را ردیابی کرد. به کمک این تکنیک بر خلاف آنچه در تکنیک MS محدودیت محسوب میشود، ترکیباتی که به سختی یونیزه می شوند و یا به سختی می توان با مشتق سازی شناسایی کرد را شناسایی کرد. از مزایای مهم دیگر تکنیک طیف رزونانس هسته ای این است که می توان در کنار اطلاعات شناسایی ترکیبات موثر از آن درکسب اطلاعات دینامیکی سلول نیز استفاده کرد. بنابراین با استفاده از طیف رزونانس مغناطیس هسته چالش های فیزیولوژیکی مثل ورزش را هم می توان بررسی کرد. تکنیک های رایج در طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای فعال در حوزه متابولومیک شامل عناصر 31P-NMR,13C-NMR ,1H-NMR می باشد. از محدودیتهای 31P NMR این است که سیگنال های ترکیبات فسفردار در ترکیبات متابولیتی با هم همپوشانی زیادی دارند.
یکی از اهداف مهم مطالعات متابوبومیکی کشف شاخص های زیستی درگیر در فرآیندهای زیستی می باشد. در واقع، شاخص زیستی را می توان یک مولکول، ژن یا مشخصه ای که به طور طبیعی رخ می دهد و قابل اندازه گیری در شرایط زیستی است و می تواند به عنوان عامل اختلال زیستی ناشی از یک بیماری ویا تغییر در هومئوستازی باشد، تعریف کرد. شاخص های زیستی را می توان برای تشخیص یا پیش بینی بیماری و هم چنین برای اندازه گیری پاسخ های زیستی برخی داروها مطالعه و بررسی نمود . شاخص ها ی زیستی طیف گسترده ای از مواد از قبیل مواد شیمیایی، متابولیت ، ژن، رونوشت RNA ها یا کمپلکس پروتئین ها با، پروتئین لیگاندها و ... را شامل می شوند همانطور که گفته شد به کمک طیف رزونانس مغناطیس ای به عنوان یک تکنیک غیر تهاجمی اطلاعات متابولیت های درگیر در فعل و انفعالات شیمیایی درگیر در سلول ها را بدست آورده و با بررسی نقش و عملکرد متابولیتها در شبکه های سلولی, آنها را بعنوان شاخص زیستی مطرح نمود
مطالعات متابولومیکی در بررسی بیماری ها به کمک1 H-NMR
بیماری های وسیعی توسط تکنیک NMR مورد مطالعه قرار گرفته است بطوریکه 659 بیماری تا کنون قابل بررسی به کمک متابولومیک می باشد. بیماری هایی همچون سرطان و انواع بیماری های قلبی عروقی دیابت چاقی جزء پر استنادترین بیماری های بررسی شده با این تکنیک می باشند . مطالعات اپیدمیولوژیکی در مقیاس وسیع متابولومیک بر پایه NMR جزو داغ ترین موضوعات این حوزه می باشد که هر روزه مطالب جدیدی در این خصوص منتشر می شود. این حوزه نشانگرهای زیستی جدیدی را برای بیماریهای مختلف کشف کرده است و در درک بیماری ها نقش بسزایی داشته است و توانایی پیش بینی خطرات بیماری و اثرات دارو را نشان داده است .از جمله این مطالعات وسیع می توان به مطالعات در خصوص بیماری سیلیاک اشاره کرد. سیلیاک بعنوان بیماری چند عاملی متاثر از محیط و ژنتیک که پاسخ ایمنی فرد را تحت تاثیر منفی قرار داده و به عنوان بیماری خودایمنی محسوب شده و با برهم زدن متابولیسم انرژی باعث عدم تحمل فرد به محصولات شامل گلوتن می شود. مطالعاتی بر روی نمونه سرم، ادرار توسط تیم های تحقیقاتی مستقل بر روی افراد درگیر بر روی این بیماری انجام شده است.
یکی از یافته های جالب و قابل این بود که افرادی که بالقوه سلیاک دارند)سیلیاک خاموش( ، یعنی کسانی که تست آنتی بادی ضد ترانس گلوتامیناز بافتی آنها مثبت بوده اما بدون علائم و آسیب های جزئی روده ای بودند در مطالعات متابولومیکی و نتایج برگرفته از افراد مورد مطالعه در مطالعات متابولومیکی و نتایج برگرفته از افراد مورد مطالعه به عنوان افراد مبتلابه سیلیاک طبقه بندی شدند و این نشان دهنده این واقعیت می باشد که متابوتیپ بیماران سیلیاکی پیش از تظاهرات بالینی می باشد و اهمیت این حوزه را چندین برابر می کند.