Нутригеномика

Нутригеномика същност, значение и цели в медицината като наука

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.