Ekspozom - wpływ środowiska na zdrowie ludzi Dr hab. Danuta Mielżyńska-Švach Założenia 1/3 wszystkich ludzi na świecie umiera w wyniku chorób przewlekłych (głównie są to choroby układu krążeniowego oraz nowotwory). Choroby te są wynikiem zarówno czynników genetycznych, jak i środowiskowych. Szacuje się, że czynniki genetyczne są odpowiedzialne za mniej niż 15% chorób, natomiast zdecydowanie więcej na ich rozwój mają wpływ czynniki środowiskowe (>85%). Środowiskowo Człowiek Znane i nieznane czynniki środowiskowe odpowiedzialne za choroby ludzi Ocena narażenia w epidemiologii Metody Udział procentowy Wywiad interpersonalny 49,2 Kwestionariusze i ankiety 14,0 Zbierane dane (medyczne i środowiskowe) 22,3 Pomiary: fizyczne, chemiczne itd. 13,3 Inne 1,2 Dwie trzecie badań polegało na tym, że badani oceniali własne narażenie. Ocena czynników genetycznych Dzięki badaniom asocjacyjnym w skali genomu (GWAS) np. z wykorzystaniem mikromacierzy SNPs (polimorfizm pojedynczego nukleotydu) można obecnie przebadać od 2,000 do 20,000 próbek (czyli od 2 do 20 mln polimorfizmów jednocześnie). Nieznane przyczyny choroby Badania macierzy genomu (GWAS) jest bardzo wydajne, ale wyjaśnia stosunkowo niewiele przyczyn chorób przewlekłych. Badanie matrycy środowiskowej opiera się na pozyskaniu: danych z kwestionariuszy, informacji geograficznej, pomiarach elementów środowiska. Teoria ekspozomu W roku 2005, Wild stworzył termin „exposome” (ekspozom), na całożyciowe narażenie środowiskowe, które występuje już od okresu prenatalnego aż do śmierci. Głównie chodzi o uchwycenie całkowitego narażenia. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev ,14(8): 1847-1850, 2005 Co to jest eksposom? Eksposom to uzupełnienie genomu reprezentujące wszystkie środowiskowe narażenia, którym podlega jednostka w trakcie życia. W koncepcji ekspozomu rozróżnia się trzy rodzaje ekspozycji czyli narażenia: zewnętrzne ogólne (general external), zewnętrzne specyficznie (specific external), wewnętrzne (internal). Narażenie zewnętrzne ogólne To aspekty społeczne, ekonomiczne i psychologiczne na poziomie jednostki: rodzina, przyjaciele, koledzy, sąsiedzi, wykształcenie, praca, status finansowy, społeczeństwo, władza, propaganda, klimat (zmiany), przypadek. Bardzo ważny aspekt narażenia, ale w zasadzie do tej pory nie uwzględniany i często trudny do mierzenia. Narażenie zewnętrzne specyficzne Zanieczyszczenia środowiska (powietrze, woda, gleba itd.). Narażenie zawodowe (czynniki fizyczne, chemiczne i biologiczne, w tym zakaźne, ergonomia, itd.). Czynniki związane ze stylem życia (np. palenie tytoniu, nadużywanie alkoholu, narkotyki, zła dieta). Choroby oraz interwencje medyczne. Ocena narażenia zewnętrznego specyficznego Wywiad interpersonalny: wywiad „twarzą w twarz”, wywiad telefoniczny. Kwestionariusz: wysłany i odebrany pocztą, wypełniony na stronie internetowej, wypełniony po nadzorem. Pomiary czynników fizycznych, chemicznych i biologicznych w środowisku na poziomie: osobnika, grupy (populacji), obszaru. Biologiczny monitoring środowiska z wykorzystaniem np. bioindykatorów, eko-testów, krótkoterminowe testów in vitro itd. Pomiary narażenia zewnętrznego specyficznego Narażenie wewnętrzne Obecność związków szkodliwych i/lub ich metabolitów w organizmie. Niedobór lub nadprodukcja hormonów endogennych. Zmiany w mikrobiomie (ko­mensalne, symbiotyczne i patogenne mikroorganizmy żyjących w i na ciele człowieka). Występowanie stanów zapalnych (stres oksydacyjny, peroksydacja lipidów). Starzenie się organizmu. Monitoring biologiczny ludzi BADANIA ŚRODOWISKA EKSPOZYCJA ZEWNĘTRZNA DAWKA WEWNĘTRZNA DAWKA BIOLOGICZNIE SKUTECZNA WCZESNE SKUTKI BIOLOGICZNE CHOROBA WRAŻLIWOŚĆ OSOBNICZA BADANIA LEKARSKIE Biomarkery Cecha, którą można obiektywnie zmierzyć oraz którą można zastosować w ocenie procesów fizjologicznych, patologicznych lub odpowiedzi organizmu na działania terapeutyczne (definicja wg. National Institute of Health). Wskaźnik interakcji zachodzącej w systemach biologicznych z potencjalnymi zagrożeniami, mogącymi mieć charakter chemiczny, fizyczny lub biologiczny. Odpowiedź organizmu wywołana tą interakcją może mieć charakter biochemiczny, fizjologiczny, funkcjonalny, itd. na poziomie molekularnym, sub-komórkowym lub komórkowym (definicja wg. WHO). Biomarkery narażenia Biomarkery dawki wewnętrznej: to ilość substancji, która wnika do organizmu (i/lub jej metabolitów) w wyniku przyjmowania pokarmu, inhalacji, absorpcji poprzez skórę, itd. Biomarker dawki biologicznie skutecznej: to ilość wchłoniętej substancji szkodliwej (i/lub jej metabolitów), która faktycznie reaguje z takimi składnikami komórki jak białka czy kwasy nukleinowe, w tym RNA i DNA. Biomarkery narażenia - przykłady Narażenie Biomarker Ołów (Pb) ołów we krwi Kadm (Cd) kadm w moczu i we krwi Rtęć (Hg) rtęć w moczu, we krwi i włosach Benzen kwas S-fenylomerkapturowy (S-PMA) kwas trans, trans-mukonowy (t,t-MA) Styren kwas migdałowy (MA), kwas fenyloglioksalowy (PGA) WWA 1-hydroksypiren w moczu Dym tytoniowy kotynina w moczu mocz mocz Biomarkery skutków Biomarkery skutków informują o zmianach występujących w organizmie na skutek oddziaływania czynnika szkodliwego. Odpowiedź organizmu na wniknięcie substancji szkodliwej zawiera się w zakresie zmian przejściowych, bezobjawowych do trwałych, dających jawną postać choroby. Zmiany te mogą mieć charakter: zaburzeń metabolicznych (w zakresie granic fizjologicznych), dysfunkcji fizjologicznej (bez zmian morfologicznych w tkankach), zmian patologicznych w tkankach (bez objawów chorobowych), jawnej klinicznie choroby. Biomarkery skutków - przykłady Biomarker Zmiany Zwiększona liczba neutrofilów w popłuczynach oskrzelowopłucnych (ang. BAL). Reakcja zapalna w regionie oskrzelowopęcherzykowym. Podwyższone stężenie białka w popłuczynach oskrzelowopłucnych (ang. BAL). Zwiększona przepuszczalność bariery pęcherzykowo-włośniczkowej. -glukuronidaza Wskaźnik nasilonej fagocytozy. Zwiększony poziom nowotworowego czynnika martwicy (ang. TNF). Wskaźnik procesów zwłóknienia płuc. Obniżony poziom glutationu. Wskaźnik stresu oksydacyjnego. Biomarkery skutków czynników genotoksycznych Mutacje: punktowe (genowe), chromosomowe, genomowe, poza chromosomowe: mitochondrialne, chloroplastowe. Biomarkery skutków starzenia się Kategoria Biomarker Zmiany wraz z wiekiem Sprawność fizyczna Prędkość chodzenia, siła uścisku, masa mięśniowa spadek Pomiary antropometryczne Wskaźnik masy ciała, obwód talii wzrost Metabolizm lipidów Trójglicerydy wzrost miRNA miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248 spadek DNA Długość telomerów w leukocytach spadek Biomarkery wrażliwości Wskaźniki wrodzonej lub nabytej zdolności organizmu do odpowiedzi na ekspozycję na substancję szkodliwą. Osobnicza (indywidualna) wrażliwość na czynniki szkodliwe jest zależna od: czynników genetycznych, wieku, płci (hormony), stanu zdrowia, stylu życia (sposób odżywiania, używki, stres). Biomarkery wrażliwości- przykłady Biomarker Czynnik Zmiana Deficyt dehydrogenazyglukozo-6-fosforanu Nitro- i aminozwiązki Wzrost stężenia methemoglobiny Zwiększona aktywność cytochromu CYP1A1 WWA Rak płuc Zwiększona aktywność cytochromu CYP2E1 Alkohol Rak o różnej lokalizacji Wiek, płeć i stan zdrowia Wiek wpływa na wchłanianie substancji drogą pokarmową (flora bakteryjna), oddechową (mniejsza objętość oddechowa płuc) i przez skórę oraz ich biotransformację i wydalanie. Większa wrażliwość niż u dorosłych: dzieci, ludzie starsi. Większa wrażliwość kobiet (mniejsza masa ciała, odmienna budowa somatyczna, hormonalny cykl). Ciąża - spadek aktywności wielu enzymów, obniżenie procesów sprzęgania z kwasem glukuronowym. Wiele chorób wpływa na metabolizm (wchłanianie, biotransformację i wydalanie) i efekty działania substancji toksycznych. Styl życia Palenie papierosów + niski poziom -1-antytrypsyny zwiększa ryzyko rozedmy płuc, + nałogowe picie alkoholu zwiększa ryzyko raka krtani, + obniżona aktywności hydroksylazy arylowej zwiększa ryzyko raka płuc. GWAS vs EWAS GWAS (badania asocjacyjne całego genomu) SNP umieszczone w górnej części wykresu mają silniejszy związek z cukrzycą typu 2. EWAS (badania asocjacyjne w całym eksposomie) Wykres „Manhattan” pokazuje powiązanie substancji szkodliwych z cukrzycą typu 2. Strategie EWAS Przy badaniu exposomu można stosować dwie strategie. „od dołu do góry” Identyfikuje narażenia wynikające z zanieczyszczenia powietrza, wody, żywności itd. „od góry do góry” Identyfikuje narażenie całościowe Strategie EWAS Strategia oddolna obejmuje pobieranie próbek środowiskowych i oznaczanie ilościowe substancji chemicznych w tych próbkach. Takie podejście: pozwala na powiązanie narażenie bezpośrednio z ich źródłami (np. powietrzem), jest pracochłonne i kosztowne, pomija wpływ wewnętrznego środowiska organizmu. Strategia odgórna polega na monitoringu biologicznym ludzi czyli badaniu (z wykorzystaniem różnych technik) próbek biologicznych (krwi, moczu, itd.) Te badania pozwalają na ocenę całkowitego narażenia. Słowniczek Causal pathway szlak przyczynowy Reacive pathway szlak reaktywny Desease phenotype fenotyp choroby Secondary phenotape fenotyp wtórny Disease traits cechy choroby Secondary traits drugorzędne cechy (choroby) G genome genom E environment środowisko R transcriptome (gene expression) transkryptom (ekspresja genów) P proteome (protein expression) proteom (ekspresja białek) M metabolome (all small molecules and metals) metabolom (wszystkie małe cząsteczki i metale) Ścieżki choroby Ścieżki wskazują wpływ czynników genetycznych (G) i środowiskowych (E) na choroby przewlekłe. A Model przyczynowych i reaktywnych szlaków spowodowanych wpływem genomu (G) i środowiska (E) na transkryptom (R) czyli ekspresję genów . Ścieżki choroby B Model szlaków przyczynowych i reaktywnych rozszerzony o proteom (P) i metabolom (M). Sygnały molekularne: ---------- modyfikacja genów (mutacje), ……….. modyfikacja epigenetyczna, ----------- modyfikacja potranslacyjna. Pełny transkryptom: R =Rc + Rr Proteom: P = Pc + Pr Metabolom: M = Mc +Mr Technologie „omic” w monitoringu biologicznym ludzi Dziedzina Pomiar Metabolomika Analiza jakościowa i ilościowa endogennych oraz egzogennych metabolitów Addukomika Pomiar jakościowy i ilościowy związków związanych kowalentnie z białkami lub DNA Proteomika Badanie białek – ich struktury, sprawowanych przez nie funkcji i zależności między nimi Transkryptomika Analiza ekspresji genów (mRNA) Genomika Sekwencjonowanie i badanie funkcji genów Epigenomika Badanie mechanizmów, które odpowiadają za regulację ekspresji genów (np. metylacja DNA) Ekspozom – integracja badań The European Exposome Cluster Using 'omic’ techniques to link exposure data to biochemical and molecular changes in the body. Primarily focusing on air pollution and water contaminants. http://www.exposomicsproject.eu „Early-life exposome” approach combining all environmental hazards that mothers and children are exposed to and linking this to the health, growth, and development of children. http://www.projecthelix.eu Brings together a comprehensive array of novel technologies, data analysis, and modeling tools that support exposome studies. Includes a series of population studies, such as twin cohorts. http://www.heals-eu.eu
