Nonostante i continui sforzi per fornire una diagnosi efficiente della malattia in tutto il mondo, la terapia mirata non ha ancora raggiunto il suo vero potenziale. Vari approcci, come la trascrittomica, la proteomica, ecc., hanno portato all'identificazione di diversi biomarcatori, ma questi non avevano sufficiente utilità clinica a causa della mancanza di sensibilità e specificità 1,2. La terapia mirata è una grande sfida in alcune malattie multifattoriali, che alla fine porta a una maggiore mortalità. C'è bisogno di una migliore comprensione del meccanismo sottostante e della fisiopatologia di malattie complesse esistenti con un'ampia eterogeneità. Quindi, a questo proposito, l'evoluzione della metabolomica ha rivoluzionato lo sviluppo terapeutico, che alla fine può aiutare a personalizzare i regimi di trattamento per varie malattie critiche come la sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS), la sepsi e la pancreatite acuta grave (SAP).
La metabolomica è un approccio completo volto a identificare e quantificare molecole a basso peso molecolare (metaboliti come aminoacidi, lipidi, peptidi, acidi organici e vitamine) in vari biofluidi, cellule o estratti di tessuti. Questi metaboliti, che in genere pesano meno di 1500 Da, svolgono un ruolo attivo nei processi biochimici, riflettendo un profilo progressivo dello stato biologico dell'organismo. Includono substrati per processi enzimatici chiave, intermedi nelle vie biologiche e sottoprodotti del metabolismo cellulare. Di conseguenza, la metabolomica cattura un'impronta digitale dettagliata delle influenze alimentari, delle interazioni farmacologiche e degli stati patologici. Le alterazioni dei metaboliti sono indicatori altamente sensibili del metabolismo e delle vie biologiche, consentendo correlazioni con le espressioni fenotipiche e le anomalie fisiopatologiche risultanti 3,4. Le variazioni iniziali dei metaboliti possono fungere da indicatori precoci della gravità della malattia, mentre le variazioni temporali possono aiutare a monitorare l'efficacia del trattamento, la progressione della malattia e gli esiti clinici 5,6,7. La metabolomica migliora quindi i saggi clinici e vari altri approcci omici ridefinendo le malattie attraverso endpoint clinici, fisiologici e biochimici 8,9,10,11,12,13. Le capacità analitiche della metabolomica sono impiegate per monitorare e determinare la suscettibilità alla malattia attraverso concentrazioni alterate di metaboliti14,15.
In questo contesto, sia la spettrometria di massa (MS) che la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) sono emerse come le principali piattaforme analitiche per la profilazione dei metaboliti in campioni biologici. Questi metodi sono utilizzati sia per l'identificazione e la quantificazione mirata che non mirata dei metaboliti 16,17,18. Ogni piattaforma ha i suoi vantaggi e limiti, ma la natura non distruttiva della NMR la rende preferibile in vari studi in vivo e per la caratterizzazione della struttura di composti sconosciuti, in particolare nelle fasi iniziali della ricerca metabolomica. Il frazionamento del campione, la derivatizzazione e la ionizzazione necessarie prima della MS possono introdurre distorsioni e spesso provocare la perdita del campione, influenzando le caratteristiche dinamiche che la spettroscopia NMR può catturare con una preparazione minima o nulla del campione. Il limite principale della risonanza magnetica mobile è la sua minore sensibilità rispetto alla MS, che offre un limite di rilevamento inferiore, rendendo difficile rilevare metaboliti meno abbondanti19. Tuttavia, progressi come i magneti superconduttori ad alta risoluzione, le sonde NMR raffreddate criogenicamente e le tecniche che migliorano la sensibilità hanno mitigato questa limitazione 20,21,22. Come approccio complementare alla genomica e alla proteomica, la profilazione metabolica mediante spettroscopia NMR sta guadagnando terreno come tecnica preferita 23,24,25. La preparazione minima del campione, la riproducibilità e la ripetibilità della NMR lo rendono uno strumento prezioso per catturare le caratteristiche dinamiche intrinseche dei metaboliti nonostante i suoi problemi di sensibilità26.
Diversi gruppi di ricerca hanno eseguito con successo la metabolomica, individuando il profilo metabolico disregolato dei pazienti per varie malattie27 come ARDS 28,29,30,31,32,33, polmonite 34, sepsi7, calcoli biliari35 e pancreatite36. Gli studi di metabolomica basati sulla risonanza magnetica su pazienti critici sono stati determinanti per monitorare la progressione dalla sindrome da risposta infiammatoria sistemica (SIRS) alla sindrome da disfunzione multiorgano (MODS), che è una delle principali cause di mortalità e morbilità in unità di terapia intensiva (ICU)37. In uno studio di Stringer et al., i campioni di plasma sono stati utilizzati per esaminare le alterazioni metaboliche nei pazienti con danno polmonare acuto indotto da sepsi (ALI) rispetto ai pazienti di controllo38. I metaboliti chiave trovati elevati in questo studio pilota riflettono le vie metaboliche coinvolte e la loro associazione con i punteggi clinici. Questa ricerca è stata estesa alla metabolomica sierica per differenziare la sepsi dalle prime fasi dei meccanismi di danno polmonare nell'ARDS32. Inoltre, un altro studio sull'ARDS ha identificato potenti biomarcatori sierici che differenziano distintamente tra danno polmonare acuto/ARDS e controlli sani, offrendo informazioni sui cambiamenti metabolici sistemici corrispondenti all'insorgenza acuta del danno polmonare39,40.
La spettroscopia NMR è una tecnica analitica automatizzata e ad alto rendimento che fornisce informazioni solide e imparziali sull'impronta metabolica rivelando la fisiopatologia sottostante38. L'applicazione clinica e l'interpretazione biologica dei dati NMR dipendono dall'ottenimento di spettri di alta qualità che contengano informazioni ricche. Pertanto, è fondamentale garantire una raccolta, un'elaborazione e un'analisi dei dati accurate, uniformi e ben formulate. Pertanto, l'obiettivo di questo studio è quello di sfruttare i passaggi essenziali della metabolomica basata sulla risonanza magnetica nucleare per l'identificazione e la quantificazione dei metaboliti. Questo studio evidenzia le fasi chiave del protocollo richiesto per lo studio della metabolomica clinica (Figura 1), come la selezione di campioni appropriati, la raccolta e la conservazione, l'elaborazione e la preparazione dei campioni, l'acquisizione e l'analisi dei dati, l'identificazione e la quantificazione del metabolita di interesse e, infine, l'interpretazione dei risultati in un contesto clinico per ricavare informazioni pertinenti. Ognuno di questi passaggi è essenziale per sfruttare la spettroscopia NMR in metabolomica per scoprire informazioni biologiche e cliniche significative.