Il ruolo della Metabolomica: panoramica attuale e prospettive future

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1 Il ruolo della Metabolomica: panoramica attuale e prospettive future Daniela Gaglio Genova, 8 Giugno 2017

2 Systems Biology e Tecnologie Omiche "La biologia dei sistemi... è il mettere insieme, piuttosto che distruggere, l'integrazione piuttosto che la riduzione. Essa richiede che sviluppiamo modi di pensare all'integrazione, cambiando la nostra filosofia, nel pieno senso del termine.- Denis Noble (2006). La musica della vita: la biologia oltre il genoma. La stampa dell'università di Oxford." METABOLOMICA

3 Metabolomica # Cos è La Metabolomica è la determinazione del set completo di metaboliti, dipendenti da uno specifico contesto, che variano a seconda dello stato fisiologico, e/o patologico della cellula, del tessuto, dell organo o dell organismo (Oliver S., Phil. Trans. R. Soc. Lond.B 2002). I Metaboliti sono prodotti (intermedi o finali) di reazioni metaboliche (biochimiche) catalizzate dai vari enzimi presenti all'interno delle cellule o sostanze che partecipano ad un processo metabolico.

4 # Perché le piccole molecole sono importanti # Il 99% dei sapori alimentari e degli aromi provengono da piccole molecole # Il 90% dei test clinici comuni misurano piccole molecole # l'89% di tutti i farmaci sono piccole molecole # l'83% delle malattie più comuni è dovuto da effetti indotti da piccole molecole # Il 55% delle droghe sono derivate da composti naturali I metaboliti lasciano dietro di sé delle tracce, vere e proprie impronte digitali che permettono di misurare le variazioni metaboliche di un organismo in risposta a modificazioni genetiche, stimoli fisiologici, alimenti, farmaci, ambiente.

5 # Applicazioni attuali: Applicazioni Studi tossicologia Selezione biomarcatori Metabolomics Studio caratteristiche prodotti (alimentari e no) Valutazione qualità di un prodotto e sue eventuali contraffazioni Applicazioni Future: Diagnosi malattia -Malattie Auto-Immuni -Malattie Neurologiche -Disturbi Gastrointestinali -Diabete -Obesità -Cardiologia -Oncologia # Classificazione della malattia # Identificazione della terapia # Monitoraggio evoluzione malattia # Valutazione e previsione risposta alla terapia

6 Glucosio e Glutammina Ruolo Fisiologico Glutamine Nuova biomassa (proteine)

7 Glucosio e Glutammina nel Cancro Cancro Glutamine

8 SYSBIO.IT: Metabolomica e Oncologia # Classificazione della malattia # Identificazione della terapia # Monitoraggio evoluzione malattia # Valutazione e previsione risposta alla terapia

9 # Classificazione della malattia Diagnosi: -Sintomi -Analisi del sangue -Diagnostica per Immagini (RX,ECOX, MR, TC) Caratterizzazione: -Biopsia (IHC Immunoistochimica) (GC-LC/MS Tipizzazione fenotipo metabolico) -PET -Stadiazione PET Sfrutta le caretteristiche del fenotipo metabolico delle cellule tumorali [ 18 F] FDG Alta attività glicolitica FAZA Ipossia

10 # Classificazione della malattia Carcinoma Carcinoma EGFR K-Ras RAF MEK ERK PI3K AKT Cell Survival and Proliferation RTK PTEN mtor Protein Synthesis Metabolism Polmonare K-Ras Wild Type Gefitinib Erlotinib Afatinib K-Ras Mutated Cisplatin Plus Alimta Colon-Rettale K-Ras Wild Type Cetuximab Panitumumab K-Ras Mutated Avastin Proliferation Metabolism Mutazioni che portano all attivazione dell oncogene KRAS determinano tumori più aggressive e generalmente correlati a scarsa prognosi e resistenza alle terapie.

11 Glucosio e Glutamina Dipendenza Cell Number (x10 6 ) A549 Lung K-Ras Cancer Cells HCT116 Colon K-Ras Cancer Cells HCC78 Lung No K-Ras Cancer Cells Hrs K-Ras oncogenico responsabile di una proliferazione più aggressiva. Cell Number (x10 5 ) Cell Number (x10 5 ) A Hrs A Hrs Cell Number (x10 5 ) Cell Number (x10 5 ) High/Low Glucose HCT Hrs High/Low Glutamine HCT Hrs Lung Cancer Cells Colon Cancer Cells K-Ras mutated Cellule tumorali con mutazione in K- Ras necessitano di glucosio e glutammina per garantire l iperproliferazione.

12 # Classificazione malattia % Lac MID [U 13 C 6 ] Glc % G6P MID [U 13 C 6 ] Glc % F1,6P MID [U 13 C 6 ] Glc % Pyr MID [U 13 C 6 ] Glc Lac %Ala MID [U 13 C 6 ] Glc [U- 13 C 6 ]Glc G6P F1,6BP Pyr Ala %Cit MID [U 13 C 6 ] Glc %Asp MID [U 13 C 6 ] Glc [U 13 C 6 ]Glc A549 HCT116 Oaa Asp % Asp MID [U 13 C 5 ] Gln Cit TCA Cycle % Cit MID [U 13 C 5 ] Gln Akg % Glu MID [U 13 C 5 ] Gln % Akg MID [U 13 C 6 ] Glc % Akg MID [U 13 C 5 ] Gln Glu [U- 13 C 5 ]Gln [U 13 C 5 ]Gln A549 HCT116 A549 Oligomycin FCCP Rotenone Basal Respiration ATP-linked Respiration HCT116 Respiratory Complex I Capacity dependent Respiration La Metabolomica mostra un immagine del percorso esatto dei nutrienti e conferma importanza del ruolo sia del glucosio che della glutammina nel ri-arrangiamento metabolico singolare fra le diverse cellule tumorali.

13 SYSBIO.IT: Metabolomica e Oncologia # Classificazione malattie # Identificazione della terapia # Monitoraggio evoluzione malattia # Valutazione e previsione risposta alla terapia

14 # Identificazione della terapia Glucose Gly Ser Lac AcCoA G6P F6P X G3P 3PG PEP Pyr Oaa AcCoA R5P Oaa Cit Mal Akg Fum Succ Glu OXPHOS Glu X Glutamine

15 # Identificazione della terapia Cell Number (x10 5 ) 25 A Hrs Cell Number (x10 5 ) HCT Hrs A549 HCT116 CTR Glycolysis Inhibitor K-Ras mutated Glutaminase Inhibitor Combined Treatment CTR Trattamento Combinato Il trattamento combinato inibisce la proliferazione cellulare sia in cellule di carcinoma polmonare che in cellule di carcinoma colon-rettale

16 # Identificazione della terapia Cell Number (x10 5 ) 25 A Hrs Cell Number (x10 5 ) HCT Hrs A549 HCT116 CTR Glycolysis Inhibitor K-Ras mutated Glutaminase Inhibitor Combined Treatment CTR Trattamento Combinato Il trattamento combinato inibisce la proliferazione cellulare sia in cellule di carcinoma polmonare che in cellule di carcinoma colon-rettale

17 # Identificazione della terapia in vitro CTR Glycolysis Inhibitor Glutaminase Inhibitor Combined Treatment Glycolysis TCA Cycle PPP Arg and Pro Metabolism Ala-Asp-Glu Metabolism CTR Combined Therapy Lac labeling from [U 13 C 6 ] Glc (%) M3 [U- 13 C 6 ]Glc Lac Ala labeling from [U 13 C 6 ] Glc (%) M3 Pyr labeling from [U 13 C 6 ] Glc (%) Pyr Ala Asp labeling from [U 13 C 6 ] Glc (%) M3 M3 Cit labeling from [U 13 C 6 ] Glc (%) Oaa Asp M4 M2 Asp labeling from [U 13 C 5 ] Gln (%) Cit TCA Cycle M3 M4 Akg Glu labeling from [U 13 C 5 ] Gln (%) Cit labeling from [U 13 C 5 ] Gln (%) M5 M4 Akg labeling from [U 13 C 6 ] Glc (%) Akg labeling from [U 13 C 5 ] Gln (%) Glu M5 M2 CTR Combined Therapy M5 M4 Il trattamento combinato inibisce il metabolismo in cellule di carcinoma polmonare. [U- 13 C 5 ]Gln

18 # Identificazione della terapia in vivo A549 Carcinoma Polmonare Tumor volume (mm 3 ) Treatment efficacy after 15 days 1000 Control *** 800 Treated *** 600 *** 400 * Time (days) Tumor weight (g) Tumor weight at sacrifice Control ** Treated Animal weight (g) Monitoring of animal weight during treatment 5 0 Control Treated Time (days) HCT116 Carcinoma Colon-rettale Tumor volume (mm 3 ) Treatment efficacy after 15 days 2000 Control *** Treated *** Time (days) Tumor weight (g) Tumor weight at sacrifice Control * Treated Animal weight (g) Monitoring of animal weight during treatment Control Treated Time (days) Il trattamento combinato inibisce la crescita tumorale sia in A549 HCT116 xenografts che

19 SYSBIO.IT: Metabolomica e Oncologia # Classificazione malattie # Identificazione della terapia # Monitoraggio evoluzione malattia # Valutazione e previsione risposta alla terapia

20 # Monitoraggio evoluzione malattia Carcinoma Polmonare Pre therapy 7 days 14 days Treated Control [ 18 F]FDG uptake (T/B) Control *** * Treated Pre 7d 14d % M3 Lac [U 13 C 6 ] Glc CTR Lac Treat SUV 0 2 Pre therapy 7 days 14 days Carcinoma Colon-rettale Treated Control [ 18 F]FDG uptake (T/B) Control *** * Treated Pre 7d 14d % M3 Lac [U 13 C 6 ] Glc CTR Lac Treat 0 SUV 2

21 # Monitoraggio evoluzione malattia Carcinoma Polmonare Ala Cys Val Ile Leu Lac Ade Tyr Lys Tyr Metabolism Aminoacyl-tRNA Biosynthesis Ala-Asp-Glu Metabolism Pyr Metabolism Lys Metabolism Cys-Met Metabolism Treat CTR Carcinoma Colon-Rettale CTR Treat UMP Pro 5D-5MTA Asp Gly Lys Ser Tyr Thr Gal HU Ctr All H-Tau Cre Lys Biosynthesis Purine Metabolism Lys Degradation β-ala Metabolism Arg-Pro Metabolism Ala-Asp-Glu Metabolism Gly-Ser-Thr Metabolism

22 SYSBIO.IT: Metabolomica e Oncologia # Classificazione malattie # Identificazione della terapia # Monitoraggio evoluzione malattia # Valutazione e previsione risposta alla terapia

23 # Valutazione e previsione risposta alla terapia Carcinoma Polmonare CTR Treat Carcinoma Colon-Rettale CTR Treat

24 SYSBIO.IT: Metabolomica e Oncologia # Classificazione malattie # Identificazione della terapia # Monitoraggio evoluzione malattia # Valutazione e previsione risposta alla terapia

25 SYSBIO.IT Prospettive Future Biological Samples Data Acquisition Compound Extraction Compound Identification Medical Report

26 Acknowledgements Metabolomics Lab Marcella Bonanomi Rohit Baharat Marilena Ripamonti AnnaMaria Colangelo Pre-Clinical Imaging Silvia Valtorta Isabella Raccagni RosaMaria Moresco Thank You IASI-CNR Paola Paci Giulia Fiscon Federica Conte Collaborations Christian Metallo UCSD Seth Parker NYU SYSBIO.IT Director Lilia Alberghina