Slováci mapujú molekuly človeka.

Ani najlepšie svetové laboratóriá nedokážu v biologických vzorkách identifikovať súčasne viac ako 5-15 % látok, čo značne brzdí biomedicínsky výskum. Naši chemici majú technológiu ako plošne mapovať malé molekuly v tele človeka, teda ľudský metabolóm. Trúfajú si ho experimentálne prečítať ako jedni z prvých na svete.

Slovenskí vedci predstavujú unikátny projekt podrobného mapovania malých molekúl v ľudskom organizme, ktorý je dôležitým krokom na ceste k pochopeniu zložitej štruktúry života na biochemickej úrovni. Pomocou vlastnej patentovanej technológie sa ako jedni z prvých na svete pokúsia experimentálne prečítať ľudský metabolóm. „Človek túži letieť na Mars a vrátiť sa späť, reálne sa to podarí len tomu, kto bude mať nielen túžbu, ale aj zodpovedajúcu technológiu. Nie je tomu inak ani v biochémii. Vedci si uvedomujú, aké dôležité je poznať malé molekuly v organizme. Viac ako 100 rokov sa o to snaží množstvo jedincov a tímov, ale hĺbkovému zmapovaniu zatiaľ bráni celá plejáda problémov. Po viac ako dekáde vývoja držíme v rukách zrelú experimentálnu a počítačovú technológiu na báze hmotnostnej spektrometrie, ktorá je tou pomyselnou raketou na Mars,“ hovorí líder projektu Robert Mistrík. Získaná mapa malých molekúl človeka otvára nové možnosti v diagnostike tretieho tisícročia a môže napomôcť k pochopeniu mechanizmov a následnej liečbe zákerných chorôb. V prvej fáze by vedci chceli pozornosť zamerať na hľadanie biomarkerov Alzheimerovej choroby.

Človek je zložitá chemická fabrika, kde nepretržite prebiehajú biochemické procesy na štyroch molekulárnych úrovniach: DNA, RNA, proteíny a malé organické molekuly. Zatiaľ čo ľudský genóm bol prečítaný pred 15 rokmi, kompletný ľudský metabolóm, teda súbor všetkých malých molekúl v organizme, poznáme len útržkovite. Jeho kompletné zmapovanie otvára obrovské možnosti vo výskume a diagnostike celého spektra ochorení.

Malé organické molekuly v živých organizmoch sa nazývajú tiež metabolity a patria sem napríklad aminokyseliny, sacharidy, lipidy, hormóny, steroidy, neurotransmitery či vitamíny. Zmeny v ich rovnováhe najvýraznejšie odzrkadľujú aktuálny stav organizmu, z čoho vyplýva ich obrovský potenciál pre včasnú a objektívnu diagnostiku. Po získaní podrobnej mapy malých molekúl človeka je logickým krokom hľadanie biomarkerov konkrétnych ochorení. To znamená, že vedci sa zamerajú na merateľné hladiny molekúl v danej telesnej tekutine, v ich prípade v krvi a mozgovomiechovom moku, a identifikujú molekuly, ktoré sa vymykajú fyziologickému rozpätiu, čo môže indikovať diagnózu.

Je pravda, že lekári už dnes rutinne využívajú analýzu krvi, moču či likvoru pri vyšetreniach, určovaní diagnóz a sledovaní priebehu mnohých ochorení. Najlepšie medicínske zariadenia na svete však dokážu analyzovať len niekoľko stoviek tzv. malých molekúl, pričom v telesných tekutinách sú ich prítomné tisíce, ak nie desaťtisíce. Paradoxom modernej doby je, že tieto látky nevieme spoľahlivo identifikovať a vlastne nepoznáme ani len ich počet. Viaceré z nich budú zrejme úplne neznáme. V čase, keď roboty analyzujú pôdu na Marse, zostáva naše telo na molekulovej úrovni stále nepreskúmaným teritóriom.

„Pretože asi každé ochorenie sa v nejakej forme prejaví na biochemickej úrovni, je pravdepodobné, že jedného dňa budú analytické prístroje a počítače automaticky určovať diagnózu z krvi, moču, slín a iných telesných tekutín zo širokého spektra ochorení. K tomu je ale najprv potrebné poznať podrobné zloženie ľudského organizmu a následne hľadať súvislosti medzi hladinami tisícok molekúl a známymi ochoreniami, čo je cieľom predstaveného zámeru. Nami vyvinutá a patentovaná metóda Precursor lon Fingerprinting dokáže identifikovať molekuly alebo ich časti aj v prípadoch, kde to iné metódy neumožňujú,“ vysvetľuje Robert Mistrík, riaditeľ slovenskej spoločnosti HighChem, ktorá je svetovým lídrom v metódach predikcie fragmentačných procesov v hmotnostnej spektometrii a ktorej technológie využíva viac ako 2 000 farmaceutických, kriminalistických či environmentálnych laboratórií po celom svete.

Cieľom projektu je vytvoriť voľne dostupnú databázu, v ktorej bude mať každá molekula svoj „odtlačok prsta“, na základe ktorého ju bude môcť rozpoznať ktorékoľvek laboratórium na svete. Výsledkom bude vytvorenie spektrálnej databázy detegovaných a identifikovaných molekúl a ich častí v plazme a v mozgovomiechovom moku, ako aj ich následná katalogizácia. Bude to bezprecedentné zviditeľnenie slovenskej vedy na celosvetovej úrovni, a to nielen jednorazovo predstavením výsledkov, ale prostredníctvom databázy otvorenej pre celý svet aj dlhodobo. Mapa molekúl človeka sa v prvom kroku použije na hľadanie biomarkerov Alzheimerovej choroby.

Okrem spoločnosti HighChem na projekte participuje tím špičkových slovenských vedcov z Chemického ústavu SAV a odborníkov z I. neurologickej kliniky LF UK a UNB, Nemocnica Staré mesto. „Je nemysliteľné realizovať projekt podobného rozsahu samostatne, preto verím, že spoločnými silami s kolegami z Chemického ústavu SAV a v spolupráci s profesorom Turčánim, prednostom I. neurologickej kliniky LF UK a UNB, sa nám to podarí,“ dodáva Robert Mistrík.

Čo sú to malé molekuly?

• Človek je zložitá chemická fabrika, kde neustále prebiehajú procesy na štyroch molekulárnych úrovniach: DNA, RNA, proteíny a malé organické molekuly.
• Malé organické molekuly v živých organizmoch sú tiež nazývané metabolity.
• Príklady malých organických molekúl prítomných v ľudskom organizme: aminokyseliny, sacharidy, lipidy, hormóny, steroidy, neurotransmitery, vitamíny. Drvivá väčšina liekov sú tiež malé molekuly.
• Malé molekuly v ľudskom organizme sa delia na endogénne (telu vlastné) a exogénne (z vonku pridané) metabolity, no toto delenie je len orientačné, pretože medzi nimi neexistuje ostrá deliaca čiara.
• Ak nepočítame lipidy, sacharidy a akceptujeme neostrosť klasifikácie medzi endogénnymi a exogénnymi metabolitmi, odhadovaný počet endogénnych metabolitov je niekoľko tisíc, presnejšie číslo je predmetom výskumu.
• Vedeli ste, že jedným obedom dostaneme do tela ďalších niekoľko tisíc malých molekúl a v cigaretovom dyme je ich okolo 8-tisíc?

• Ani najlepšie svetové pracoviská s najmodernejším prístrojovým vybavením nedokážu v biologických vzorkách identifikovať súčasne viac ako 5-15 % látok.

Vyspelá, inovatívna a patentovaná metodológia zo Slovenska

• Slovenskí vedci vyvinuli funkčnú technológiou, pomocou ktorej sa ako jedni z prvých na svete pokúsia o podrobnú experimentálnu kvalitatívnu analýzu malých molekúl v ľudskom organizme.

• Majú za cieľ vytvoriť databázu, v ktorej každá molekula bude mať svoj spektrálny „odtlačok prsta“, podľa ktorého ju bude môcť ktokoľvek na svete identifikovať. Bude to bezprecedentné zviditeľnenie slovenskej vedy na celosvetovej úrovni.

• Obrovská štruktúrna diverzita malých molekúl, nízke koncentrácie, absencia automatických meracích postupov, komplikovanosť chemickej analýzy, a vysoká cena analýzy sú hlavné príčiny, prečo identifikácia malých molekúl prítomných v ľudskom organizme je stále otvorený problém.

• Slovenská technológia je najďalej spomedzi ostatných projektov podobného druhu. Molekuly identifikuje na základe použitia spektrálnych stromov schopných určiť podštruktúry a následne zrekonštruovať vzorec neznámych látok. Používa hmotnostnú spektrometriu, ktorá je okrem biochémie široko nasadzovanou analytickou metódou aj vo farmaceutických, kriminalistických, environmentálnych a potravinárskych aplikáciách.
• Postup identifikácie je patentovaný a viaceré renomované svetové pracoviská publikovali práce, kde na malých pilotných projektoch demonštrovali schopnosť identifikácie neznámych látok s využitím spektrálnych stromov.
• Ambícia: zmapovať, katalogizovať a spektrálne charakterizovať ľudský metabolóm – celkový súbor malých molekúl v ľudskom organizme. (Ľudský genóm bol prečítaný pred 15 rokmi.)

Ľudia a partneri:

HighChem, s.r.o.

Počas svojej 18 ročnej existencie získala pozíciu svetového lídra v oblasti vývoja metód pre identifikáciu látok, interpretácie hmotnostných spektier, spracovania chromatografických dát, predikcie fragmentačných mechanizmov a vytvárania hmotnostno-spektrometrických databáz. Jej riešenia boli licencované vo viac ako 2 000 laboratóriách po celom svete, vrátane biochemických, farmaceutických, kriminalistických, environmentálnych a potravinárskych centier a citované v stovkách. Vedecko-výskumný záber spoločnosti v oblasti metabolomiky, hmotnostnej spektrometrie a biochémie podčiarkuje aj bohatá účasť v medzinárodných vedeckých konzorciách (MetaCancer, EDA-Emerge, ANSWER). Zakladateľ spoločnosti a líder projektu Dr. Ing. Robert Mistrík sa stal v roku 2009 laureátom vedeckej ceny Hlava roka, ceny za najvýznamnejšiu inováciu. Od roku 2012 je členom výkonnej rady Svetovej metabolomickej spoločnosti (http://metabolomicssociety.org/board/board-of-directors).

Chemický ústav SAV

Partner projektu, je jedným z najväčších pracovísk Slovenskej akadémie vied. Patrí k špičkovým vedeckým ustanovizniam na Slovensku a je trvale akreditovaný v najvyššom stupni hodnotenia. Svoj výskum zameriava na štúdium chémie a biochémie sacharidov. Úlohou ústavu je priniesť originálne poznatky a metódy na využitie týchto látok v oblasti medicíny. V súčasnosti je glykomika jednou z najprogresívnejšie sa rozvíjajúcich vedeckých disciplín, ktorej sa venuje tím pod vedením riaditeľa ústavu Ing. Miroslava Koóša, DrSc.

1. neurologická klinika LF UK a UNB, Nemocnica Staré mesto

Najstaršia neurologická klinika na Slovensku sa v súčasnosti radí medzi najvýznamnejšie vedecké pracoviská Univerzity Komenského. Popri poskytovaní komplexnej zdravotnej starostlivosti v odbore neurológia sa orientuje najmä na cerebrovaskulárne a neurodegeneratívne ochorenia.  Prednosta kliniky prof. MUDr. Peter Turčáni, PhD. v spolupráci s HighChem bude participovať na projekte identifikovania metabolómu v mozgovomiechovom moku a hľadaní biomarkerov Alzheimerovej choroby.