La metabolómica y la lipidómica permiten encontrar patrones metabólicos para caracterizar mejor la diabetes y sus complicaciones

Francesc Xavier Correig y Òscar Yanes
CIBER | viernes, 27 de enero de 2017

 La metabolómica es la ciencia que se encarga del estudio de los metabolitos (compuestos químicos de bajo peso molecular) que existen en un biofluido o tejido biológico como el resultado de su actividad metabólica. La metabolómica, desde un enfoque holístico, no parte de una hipótesis previa, sino que intenta abordar el estudio del metabolismo a partir del análisis de centenares o miles de metabolitos. Los estudios de metabolómica están permitiendo la búsqueda de nuevos marcadores de diagnóstico o prognóstico en muchas enfermedades, estudiar la toxicidad y respuesta a tratamientos farmacológicos, intervenciones nutricionales, o ayudar a elucidar procesos mecanísticos básicos de la célula. Una de las características más interesantes de la metabolómica es su capacidad de analizar miles de muestras de manera global y cuantitativa, lo cual la convierte en una técnica muy útil para estudios epidemiológicos. Además, juntamente con el resto de ciencias ómicas, permite abordar los problemas biomédicos desde lo que ya se conoce como medicina de sistemas. Xavier Correig y Òscar Yanes, director y coordinador científico de la Plataforma de Metabolómica del CIBERDEM, exponen en esta entrevista su utilidad para la investigación en diabetes. 

-¿Qué están aportando las aproximaciones desde la metabolómica al estudio de la diabetes y las enfermedades metabólicas asociadas?

-La diabetes y las enfermedades metabólicas asociadas se caracterizan por ser muy complejas y multifactoriales, en las que todavía no se conocen los factores biológicos desencadenantes de la enfermedad. En este sentido, las técnicas metabolómicas basadas en análisis de flujos, en las que se utilizan compuestos enriquecidos con 13C o 15N, permiten abordar ensayos mecanísticos de forma muy completa y entender mejor el funcionamiento celular.

Se da la circunstancia de que un porcentaje muy elevado de personas diabéticas (entorno al 40 %) no serán diagnosticadas. Cuando una persona se ha diagnosticado de diabetes mellitus tipo 2, probablemente ha pasado por una etapa larga (probablemente más de 10 años) en un estado pre-diabético, muy difícil de caracterizar y por lo tanto de hacer un buen prognóstico. Es por lo tanto urgente encontrar biomarcadores de diabetes y de prediabetes. La metabolómica y la lipidómica, por su carácter holístico, permiten encontrar patrones metabólicos para caracterizar mejor la diabetes y sus complicaciones. Para poner un ejemplo, es conocido que determinados perfiles de aminoácidos en sangre, así como algunos patrones en las concentraciones de lípidos y de subclases de lipoproteínas, están relacionados con la incidencia de la resistencia a la insulina y la diabetes. De confirmarse estos resultados, se podrían desarrollar análisis químicos y aplicarlos en población general para estratificar el riesgo de contraer diabetes.

-¿Qué supone para los investigadores del CIBERDEM el poder contar con una Plataforma Metabolómica?

-La incorporación de la metabolómica en la investigación biomédica representa un salto cualitativo muy importante, ya que es una técnica emergente que permite un fenotipado metabólico de cualquier muestra biológica y condición patológica. Nuestro trabajo permite encontrar dianas metabólicas y marcadores que los investigadores del CIBERDEM pueden validar e investigar con más detalle utilizando técnicas ortogonales. Por ejemplo, aproximaciones ómicas como la (epi)genómica, transcriptómica y proteómica, pueden ayudar a descifrar los detalles mecanísticos detrás de cambios fenotípicos asociados a los metabolitos. A su vez, las técnicas de silenciación de expresión génica, inhibición enzimática, inmunomodulación o modelos germ-free pueden complementar muchos estudios mecanísticos y facilitar la modulación del metabolismo en procesos patológicos asociados a la diabetes. Trabajar con la Plataforma metabolómica es una buena oportunidad, por cuanto nuestra involucración en el experimento clínico/biomédico es total. La Plataforma tiene una trayectoria dilatada en colaboraciones en el ámbito de la diabetes y enfermedades metabólicas relacionadas, con lo cual ofrece máximas garantías de éxito. Además, desde CIBERDEM hay una clara política de soporte al uso de la Plataforma por parte de los grupos asociados, subvencionando parte de los costes del experimento metabolómico.

-Qué actividades realiza esta Plataforma de apoyo a la investigación?

-La Plataforma Metabolómica utiliza los equipos analíticos de resonancia magnética nuclear y espectrometría de masas que la Universitat Rovira i Virgili tiene instalados en el Centre de Ciències Òmiques, radicado en Reus. Cuenta con unas instalaciones, equipos y programas modernos y funcionales. Podemos hacer tanto estudios dirigidos como no dirigidos utilizando plataformas de resonancia magnética nuclear, cromatografía líquida y de gases acoplada a espectrometría de masas. Nuestra función es abarcar todas las etapas de un experimento metabolómico, desde el diseño experimental, la realización de las medidas, el tratamiento de los datos, y su interpretación clínica/biológica. Dado que nuestros trabajos son colaborativos también nos involucramos en la redacción de artículos para su publicación.

-¿Cuál es el balance hasta el momento en cuanto a la actividad científica de la plataforma?

-La Plataforma, hasta el momento, ha desplegado una intensa labor de investigación, con un doble enfoque; por una parte, uno de los objetivos principales es el diseño y desarrollo de nuevos procedimientos y metodologías metabolómicas, consistentes en la programación de herramientas bioinformáticas para el tratamiento de los espectros de resonancia magnética nuclear y espectrometría de masas, la identificación de metabolitos y el análisis multivariante aplicados a experimentos de metabolómica. Por otra parte, gracias a la involucración en los experimentos propuestos por los grupos de CIBERDEM, también participamos de los resultados científicos en ámbitos biomédicos y clínicos. Durante los últimos 5 años, hemos publicado 47 artículos en revistas indexadas, con un índice de impacto total de 310 puntos. El 77 % de los artículos se encuentran en el primer cuartil y en 22 de ellos algún miembro de la plataforma ha sido último firmante. Así mismo, se han conseguido proyectos competitivos del plan nacional y del programa de la UE Horizon2020.

-¿Cuántas colaboraciones con esta plataforma han establecido los investigadores del CIBERDEM?

-Desde su puesta en funcionamiento el año 2008, hemos realizado unas 50 colaboraciones con grupos de CIBERDEM. Hemos colaborado aproximadamente con la mitad de los grupos del mismo. De entre ellos, hay unos 5 grupos con los que se colabora de forma continuada.

-¿Hay colaboración con investigadores de otras áreas del CIBER?

-Si, en particular se ha colaborado con diversos grupos del CIBEROBN, en temas relacionados con la nutrición y el metabolismo. En estos momentos también hemos iniciado colaboraciones con grupos del CIBERSAM, CIBERES, CIBEREHD, CIBERNED y CIBERER.

-¿Qué tipo de estudios están desarrollando los investigadores del CIBERDEM con apoyo de la Plataforma ?

-La naturaleza de los estudios que se abordan es muy diversa. En un porcentaje elevado son estudios mecanísticos, en los que se utiliza la metabolómica para descubrir las vías metabólicas afectadas en el modelo de la enfermedad estudiada y de esta manera conocer mejor los mecanismos que la provocan. Otro porcentaje significativo son estudios en los que se buscan biomarcadores metabolómicos para el diagnóstico, la eficacia de un tratamiento farmacológico, o bien la respuesta a una determinada dieta o ejercicio. Hemos trabajado en muestras humanas (suero y orina), en muestras de modelos animales (tejidos y biofluidos) así como en cultivos celulares.

-¿Y los resultados más destacados en cuanto al conocimiento obtenido hasta el momento por investigadores del CIBERDEM en estudios que hayan recurrido a esta plataforma?

-Destacaría dos resultados relevantes. El primero se ha desarrollado en colaboración con el grupo del Dr. Lluís Masana y consiste en el desarrollo de un método de análisis avanzado de lipoproteínas mediante resonancia magnética nuclear, que permite determinar el tamaño y el número de partículas de 9 subclases de lipoproteínas, de tal manera que se puede estimar el riesgo cardiovascular de forma mucho más fiable que con las medidas de lípidos estándar (triglicéridos, colesterol total, colesterol HDL y colesterol LDL). Esta técnica se ha aplicado con éxito en personas con dislipidemia diabética, y ha sido  resultado del proyecto de investigación interno LOWHDL, financiado por CIBERDEM en el año 2012. Este método se encuentra patentado y se ha generado una empresa spin-off para su comercialización.

El segundo resultado se trata de una colaboración con la Dra. Lourdes Ibáñez, endocrinóloga pediátrica del Hospital Sant Joan de Deu de Barcelona, en la cual descubrimos un patrón de metabolitos en sangre característicos de estadios iniciales del síndrome del ovario poliquístico en chicas adolescentes. Además, vimos cómo tras una intervención farmacológica se revertía ese patrón patológico. Creo que es un buen ejemplo de lo que la metabolómica puede hacer por la medicina personalizada.

-Ya en cuanto a su grupo de investigación, ¿cuáles son las principales líneas de trabajo y proyectos que abordan?

-Las principales líneas de trabajo en la que concentramos nuestros esfuerzos son las siguientes: Una línea en la que venimos trabajando desde el inicio es el desarrollo de herramientas bioinformáticas para la automatización de la identificación y cuantificación de metabolitos en espectros de resonancia magnética nuclear y espectrometría de masas de suero y orina y el descubrimiento de biomarcadores asociados a la diabetes y las enfermedades metabólicas asociadas. Estas herramientas son esenciales para realizar estudios metabolómicos epidemiológicos. En estos momentos trabajamos también en un proyecto financiado por el Plan Nacional, consistente en el la utilización de nanopartículas de metales para la obtención de imágenes moleculares en tejidos de modelos animales. Esta tecnología  la aplicamos al estudio de la función de los órganos endocrinos.

Otra línea de trabajo es el desarrollo de nuevas aproximaciones bioinformáticas que permitan la integración de datos metabolómicos con diferentes tecnologías ómicas, como la proteómica y la transcriptómica. Este enfoque integrador lo estamos aplicando al estudio de la retinopatía diabética con resultados muy prometedores.

-También tienen en marcha un estudio metabolómico sobre la exposición al "thirdhand smoke" (THS) y sus efectos en el desarrollo de enfermedades metabólicas, ¿cómo avanza esta investigación?

-El THS se considera nicotina residual y otros compuestos químicos que quedan en una variedad de superficies y espacios cerrados debido al humo del tabaco. Se cree que estos residuos reaccionan con contaminantes comunes para crear mezclas toxicas. Estas mezclas toxicas de THS representan un riesgo para la salud de personas expuestas no fumadoras, especialmente niños. Esta investigación, coordinada por la Dra. Noelia Ramírez, ha recibido financiación del programa MSCA - Horizon2020. Trabajando con modelos animales expuestos al THS, hemos visto que esta exposición puede comportarse como un disruptor endocrino, ya que los animales desarrollan resistencia a la insulina e hígado graso. En estos momentos estamos empezando a recolectar muestras de orina en personas para descubrir marcadores metabolómicos relacionados con el THS. Los resultados pueden tener un gran impacto, dado el carácter epidemiológico de este tipo de exposición.

-También trabajan en el campo de la retinopatía diabética, ¿qué investigación desarrollan?

-En el caso de la retinopatía diabética estamos llevando a cabo un estudio multiómico y multidisciplinar, integrando diferentes capas de información biológica tanto en modelos celulares, como en muestras de humor vítreo de pacientes con retinopatía diabética no proliferativa, y proliferativa. Para ello estamos colaborando con el Dr. Rafael Simó, endocrinólogo del CIBERDEM y del Hospital Vall d’Hebron, con oftalmólogos del Hospital Clínic y del Centro de Oftalmología Barraquer de Barcelona, y con físicos estadísticos de la Universitat Rovira i Virgili. Lo que hacemos es utilizar un modelo del epitelio pigmentario de la retina para integrar datos de proteómica cuantitativa, metabolómica y análisis de flujo metabólico con el objetivo de predecir alteraciones metabólicas asociadas a la hiperglicemia (y la hipoxia). Una de las novedades es la manera en que hacemos la integración, que sorprendentemente nos está permitiendo validar muchos marcadores en muestras de pacientes. No solo esperamos conseguir potenciales marcadores de la evolución de la retinopatía diabética sino esclarecer algunos de los mecanismos moleculares que la desencadenan. Este proyecto está financiado por el MINECO.