Нутригеномика
Нутригеномика същност, значение и цели в медицината като наука
Съдържание
Нутригеномиката и нутригенетиката са нови направления в медицинските науки. Те се занимават с изучаването на молекулните механизми, чрез които обикновените химически вещества в диетата оказват влияние върху здравето и могат да модулират риска от развитие на заболяване при определен генетичен терен, включващ комбинации от вариации в няколко гена.
През последните две десетилетия тези две дисциплини набират скорост, като в момента най- много резултати са получени чрез изследване на определени генетични вариации – еднонуклеотидни полиморфизми (ЕНП), които са подходящ молекулярен инструмент за изследване на ролята на храненето в човешкото здраве, заболявания и идентифицирането на оптимална диета.
Хранителните вещества и геномът взаимодействат чрез потискане, индуциране на генната експресия или чрез разликите в активността на рецептори, ензими и пр., участващи във важни метаболитни пътища, като по този начин повлияват концентрацията на циркулиращите вещества и техните метаболити, както и способността на нутриентите да взаимодействат с отделните гени.
Изясняването на тези механизми е от съществено значение за извършването на адекватна профилактика и повишаване ефективността от лечението при редица социално- значими заболявания като диабет тип 2, затлъстяване, сърдечно-съдови заболявания и някои видове рак.
Откритието, че хранителните вещества имат способността да взаимодействат и да модулират молекулните механизми, които стоят зад физиологичните функции на организма е довело до революция в областта на храненето и е спомогнало за възникването на нутригенетиката и нутригеномиката.
Нутригенетиката и нутригеномиката са две области с различни подходи за изясняване на взаимодействието между диетата и гените, но с обща крайна цел за оптимизиране на здравето чрез персонализиране на диетата. Те осигуряват мощни подходи за разкриване на сложните взаимоотношения между хранителните молекули, генетичните полиморфизми и биологичната система като цяло.
Какво е нутригеномика
Нутригеномиката е новото направление в науката за хранене с важно значение за здравословното и диетично хранене. Тя е резултат от натрупването на нови познания за това как нутриентите действат на молекулно ниво. Редица епидемиологични проучвания показват, че съществува връзка между диетата и някои хронични заболявания – диабет, сърдечно-съдови болести, затлъстяване.
Нутригеномиката се фокусира върху въздействието на нутриентите върху генома, протеома и метаболома, докато нутригенетиката проучва ефектите на генетичния вариант върху взаимовръзката между диета и заболяване или потребности от определен нутриент.
На популационно ниво между отделните индивиди има различия в генетичната информация по отношение на редица единични нуклео- тидни полиморфизми (SNPs), които са от значение за определяне на риска от появата и развитието на определено заболява-не. Нутригенетиката създава перспективи за научнообосновано персонализиране на диетата за всеки един индивид или специфична група от хора.
Нутригеномиката е подраздел на науката за храненето, която има за цел да разбере как взаимодействието между гените и диета влияе върху реакцията на индивидите към храната, здравето на населението и риска от развитието на чести хронични заболявания като диабет тип 2, затлъстяване, сърдечно-съдови заболявания и някои видове рак.
Също така нутригеномиката се стреми да осигури разбиране на молекулно ниво, за това как обикновените химически вещества в диетата оказват влияние върху здравето, като променят геномната структура и степента на генната експресия
Нутригеномиката е не само ново приложение на „omics“-технологиите в контекста на взаимодействията между ген и диета, но и наука, която може да промени фундаментално начина по който се възприема заболяването, като се смени фокуса и разшири обхвата на здравните интервенции от пациенти към здрави индивиди.
Въведение в нутригеномиката
- Транскриптомика, изучаваща транскрипционните фактори и биомолеку- лярните пътища на предаване на хранителните сигнали.
- Геномика, изучаваща прилаганите при нутригеномиката методологии.
- Биоинформатика и биостатистика, помагащи натрупаните данни да станат приложими в клиничната практика.
- Нутригенетика и чувствителните възприемчиви генотипове.
- Използване на клетъчни моделни системи и проучвания при животни и хора.
- Установяване на взаимовръзките между нутригеномиката и комплексните полигенни заболявания.
- Хранителен стрес и възпаление.
- Търсене на молекулни биомаркери.
- Нутригеномика и развитие на функционалните храни.
- Нутригенетика и персонализиране на диетата.
- Регулаторни и етични проблеми на нутригенетиката.
Какво е нутригенетика
Нутригенетиката е раздел от генетиката, който изучава това, по какъв начин хранителните продукти влияят върху човека, във връзка с индивидуалните му генетични особености. Поради генетичните различия, всеки човек метаболизира храната различно, което се свързва и с различното генетично предразположение към определени заболявания
Нутригенетиката е все още в начален стадий на развитие в сравнение с други клонове на медицинската наука.
Целта на нутригенетиката се състои в предоставянето на персонализирани препоръки за превенция на заболявания, които се свързват с генетичните особености на конкретния човек.
История на нутригеномиката
Нутригеномиката се появява в началото на 90- те години, като през последните две десетилетия тази дисциплина набира скорост и в момента най-големите и постижения са в областта на сърдечно-съдовите заболявания, тъй като тя представлява удобен подход при превенцията на тази група болести, поради възможността за по-добра профилактика и лечение, чрез оптимизирането на индивидуалната диета.
Въпреки разнообразието, мултифакторността и комплексността на сърдечно-съдовите заболявания, това е групата от болести, при която е постигнат най-голям напредък в определянето на генетичнните компоненти и рискови фактори, чрез идентифициране на кандидат- гени при цялостно геномно асоциативно проучване (Genorae Wide Association Studies – GWAs) .
Последното се оказа възможно благодарение на предварителното охарактеризиране на множеството фенотипи, свързани с различни сърдечно-съдови заболявания като: плазмени нива на отделните ли- пидни фракции, нива на кръвна захар, маркери на възпалението, увреждането на ендотела (вътрешната повърхност на кръвоносните съдове), оксидативния стрес, нивата на кръвното налягане, антропометрични показатели, както и редица фенотипни маркери, получени при инвазивни образни изследвания.
Относително лесното измерване на тези параметри и специфичното им определяне като рискови фактори позволява да бъдат проведени много проучвания, насочени към идентифицирането на определени гени и генетични варианти свързани с предразположение към различни сърдечно-съдови заболявания – исхемична болест на сърцето, мозъчно-съдова болест, заболяване на периферните кръвоносни съдове и пр.
Поради мултифакторността на тези заболявания обаче, трябва да се отчитат не само генетичните фактори, но и взаимодействието им с факторите на околната среда. Така например редица генетични варианти сами по себе си не се асоциират с повишен риск от сърдечно-съдови заболявания, но ефекта от този генетичен вариант ще бъде различен при различните фактори на околната среда (тютюнопушене, консумация на алкохол, ниво на физическа активност и др.), които взаимодействат с него. Сред различните фактори на околната среда, диетата се възприема като най-съществен рисков фактор пряко въвлечен в генетичната регулация и модификация, водещ до развитие или профилактика на ССЗ.
От друга страна – взаимодействието ген-диета обяснява появата на различните фенотипи, наблюдавани при хора, носители на един и същ генетичен вариант при някои моногенни форми на сърдечно-съдовите заболявания (ССЗ).
По този начин, една и съща генетична комбинация може да бъде свързана с широк спектър от клинични прояви, вариращи от безсимптомно протичане до тежки форми на ССЗ.
Механизмите, по които отделните хранителни компоненти могат да модулират риска от развитие на заболяване при определен генетичен терен, включващ комбинации от вариации в няколко гена, все още не са ясни. Изясняването на тези механизми е от съществено значение както за извършването на адекватна профилактика, така и за повишаване ефективността от лечението. От гледна точка на общественото здравеопазване, разбирането на важните (съществените) взаимодействия между диетата и гените ще спомогне за очертаването на общите хранителни препоръки за конкретната популация. Освен популационни различия, се откриват и множество индивидуални различия при взаимодействието ген-диета.
Така още през 1965 г. Keys и съавт. подчертават наличието на големи различия при отделните индивиди по отношение на плазмените концентрации на холес- терола при спазването на еднаква диета, стигайки до заключението, че „вътрешните характеристики“ на индивида са довели до разлики в нивата на липидите. Като се има в предвид това, че всеки индивид или група индивиди може да реагира различно на една и съща диета, се разбира важността на идентифицирането на факторите, определящи този диференциран отговор.
Концепцията за ефекта на хранителните вещества върху стабилността, репарацията и експресията на ДНК наскоро стана по-изразена в областта на науката за хранене. Многобройните компоненти на хранителните вещества могат да променят както генетичния, така и епигенетичния ефект и по този начин да окажат влияние на състояние здраве/болест. Изследвани са и продължават да се изследват определени генетични вариации – главно еднонуклеотидни полиморфизми (ЕНП или SNP – single nucleotide polymorphisms), които да могат да обяснят тези разлики.
ЕНП са най-често срещаните генетични вариации, които възникват на всеки 500-2000 базови двойки в човешкият ге- ном и се срещат при над 1% от населението. Анализът на ЕНП е подходящ молекулярен инструмент за изследване на ролята на храненето в човешкото здраве, болестите и идентифицирането на оптимална диета
Как взаимодействат хранителните вещества и геномът
Хранителните вещества и геномът взаимодействат на две нива:
1. Потискане или индуциране на генната експресия под действие на хранителните вещества, като по този начин променят индивидуалния фенотип;
2. ЕНП могат да повлияят на реакцията на елементите на околната среда като променят биоактивността на рецептори, ензими и др., участващи във важни ме- таболитни пътища и медиатори и по този начин да повлияят концентрацията на циркулиращите вещества и техните метаболити, както и способността на нутриентите да взаимодействат с отделните гени (Фиг. 1).
Полиморфизми и мутации, променящи ензимната, рецепторната и хормоналната активност
Макронутриенти (протеини, липиди и др.)
Микронутриенти (минерали, витамини и др.)
Схема на взаимодействие ген-диета
Неблагоприятно взаимодействие между диета и геном
Концепцията, че неблагоприятното взаимодействие между диетата и генома може да причини заболяване не е нова.
Това много лесно се демонстрира с наличието на метаболитни болести като Фенилкетонурия (ФКУ), Галактоземия, Глю- козо-6-фосфат дехидрогеназа (Г6ФД), дефекти в окислението на дълго-верижните мастни киселини, Хемохроматоза и пр. Други примери за взаимодействие ген-диета, което оказва ефект върху състоянието здраве/болест включват полиморфизмите е ензимите супероксид дисмутаза, метилен тертра хидрофолат редуктаза, ензими от групата на цито- хром Р450 оксидазите, глутатион-8-трансфераз и азотен оксид синтаза и др.
Ензимът супероксид дисмутаза (MnSOD) е ми- тохондриален ензим, които играе ключова роля в деактивирането на свободните радикали (активни форми на кислорода). Полиморфният вариант, включващ субституция на валии в аланин води до променен транспорт на ензима в митохондриите, което от друга страна се свързва с наличие на повишен риск от развитие на рак на млечната жлеза (РМЖ).
Метилен тертрахидрофолат редуктазата (MTHFR) катализира реакция за производство на активната форма на фолиева киселина – 5-метил- тетра-хидрофолат. В MTHFR гена са открити няколко полиморфни форми, които водят до понижена ензимна активност и по-ниски нива на активен фолат. Двата полиморфизма, които са свързани с по-неефективно производство на 5-метил-тетра- хидрофолат са С677Т и А1298С. С677Т полиморфизмът е най-честият вариант, който се среща в хомозиготно състояние ТТ при 5%-10% от изследваните, а в хетерозиготно състояния СТ – до 40% от общата популация (24).
Ензимите от групата на цитохром Р450 оксидазите (CYP) играят централна роля в оксидативната биотрансформация на стероиди, простагландини, хранителни вещества, лекарства, химикали и канцерогени. Няколко хранителни фактора могат да променят експресията на отделните CYP – изофор- ми. CYP1A2 играе съществена роля в метаболизма на широк спектър от лекарствени и химически вещества. Например, CYP1A2 активира диетични канцерогени като ароматни амини (25). За това индивидите с ниска CYP1A2 активност са изложени на по-висок риск от канцерогенни заболявания на белия дроб и пикочния мехур.
Ензимите от групата на глутатион-8-трансферази (GST) са ензимна суперфамилия, която играе важна роля при втората фаза на детоксификация на хранителните вещества и химичните компоненти. Съществуват няколко ензимни изоформи – GSTM1, GSTT1 и GSTP1. GSTM1 и GSTT1 нулевите генотипи се асоциират с повишен риск от канцероге- неза за някои форми чревен, белодробен и др. вид рак (25, 26).
Нутригеномика социални ценности, норми и отговорности
Важно е да се отбележи, че етичните оценки в областта на нутригеномиката и нутригенетиката до голяма степен са изпреварени от откритията на бързо развиващите се биологични науки.
Още днес трябва да се определят „точки за разглеждане“ по отношение на етичните въпроси свързани с бъдещите приложения в областта на храненето. Интересът към тези нови науки за храненето съвпада с промяната на акцента на медицинските и биологичните науки към предотвратяване на възможни бъдещи заболявания, а не към лечение на вече развила се болест.
От тук произлизат уникални етични въпроси относно степента, до която нутригеномиката и нитригенетиката могат да променят отношението ни към храната, границите между състояние на здраве и болест и традиционните подходи на медицинската практика.
Нутригеномиката може да доведе до нови социални ценности, норми и отговорности както за хората, така и за обществата. Етичните аспекти на приложенията на нутригеномиката и нитригенетиката трябва да бъдат активно разработвани, тъй като тази нова наука се развива и все повече се слива с други приложения на геномиката в медицината и общественото здраве.
Нутригеномиката и нутригенетиката са все още в начален етап на развитие на своите подходи и методи за изследване, но въпреки това вече има изградени достатъчно стабилни основи, които позволяват да се разширява натрупаната информация и да се продължи с провеждането на изследвания, насочени към постигането на по-задьлбочени научни доказателства, необходими за ефективното им въвеждане в медицинската практика за първична и вторична профилактика на редица заболявания.