Metabolomik

 

Das Metabolom steht für die Gesamtheit der Stoffwechselprodukte eines Menschen. Diese werden in Körperflüssigkeiten wie Blut und bevorzugt Urin mit Hilfe moderner Analysetechniken (Massenspektrometrie und Kernresonanz-Spektroskopie) identifiziert.

Metabolomik als Teilgebiet der "-omik-Techniken"

Die Metabolomik ist ein Teilgebiet der „-omik-Techniken“ . Mit Hilfe dieser Techniken sollen sämtliche Stoffwechselleistungen des Menschen erforscht werden. Ausgangspunkt ist die Genomik, die Entschlüsselung des Erbgutes. An zweiter Stelle steht die Übertragung (Transkription) der genetischen  Information auf Proteine, also Eiweiße, mit unterschiedlichen Funktionen wie Enzymaktivität, Transportfunktion oder als Baustoffe. Die Erforschung der Übertragung der genetischen Information wird auch als Transkriptomik, die Entschlüsselung der Proteine als Proteomik bezeichnet. Die Stoffwechselendprodukte (Metaboliten) stehen am Ende dieser Kette. Deren qualitative und quantitative Identifizierung beschreibt das Fachgebiet „Metabolomik“.   

Ziele der Metabolomik

Die Metabolomik bietet neue Ansätze im Bereich der medizinischen Diagnostik sowie der Ernährungs- und Lebensmittelforschung. Im Vordergrund steht die Ermittlung von Biomarkern. Mit deren Hilfe sollen Krankheiten schneller und früher erkannt werden. Ein Beispiel ist die Ermittlung eines bestimmten Aminosäuremusters im Blut von 2422 Teilnehmenden der Framingham Offspring Studie. Die Werte von Isoleucin, Leucin, Valin, Tyrosin und Phenylalanin zeigten ein deutliches Risiko auf einen späteren Typ-2-Diabetes mellitus an. Vor allem anhand der Veränderung mehrerer dieser Aminosäuren konnte die Entstehung des Typ-2-Diabetes  recht genau vorhergesagt werden. Dies ist mit konventionellen Diagnosemethoden nicht möglich. Nachweis und Bestimmung von Aminosäuren im Blut sind recht kostengünstig und daher auch in der Praxis anwendbar.

Mit charakteristischen Biomarkern können auch bestimmte Ernährungsstile (reich an bestimmten Lebensmitteln, arm an bestimmten Lebensmitteln) erkannt oder die Einhaltung von Diätempfehlungen überprüft werden.

Ansätze der Metabolomik

Grundsätzlich werden zwei wissenschaftliche Ansätze unterschieden:

  1. der Hypothesen freie (ungerichtete) Ansatz
  2. der Hypothesen gestützte (gezielte) Ansatz

Bei den ungerichteten (engl. untargeted) Auswertungsverfahren werden Ähnlichkeiten und Differenzen von Stoffwechselprodukten zwischen verschiedenen Probanden-Typen ermittelt. Basis des Vergleichs ist die  Erfassung einer Vielzahl dieser Metabolite  im Blut und/oder Urin großer Studienpopulationen. Das Ziel ist, Unterschiede in der Verteilung  von Metaboliten oder Metabolitengruppen zu erfassen. Eine genaue Identifizierung der Einzelsubstanzen ist dazu nicht immer nötig.

Bei den gerichteten Auswertungsverfahren stehen die Metabolite im Vordergrund, die in den jeweiligen Körperflüssigkeiten zu erwarten sind. Zur exakten Bestimmung der Substanzen muss neben dem Stoffnamen auch die Summenformel bekannt sein.

Verfahrenstechniken bei der Metabolomik

Die Massenspektrometrie ist die meist verwendete Analysentechnik. Dabei wird das zu analysierende Substanzgemisch nach Auftrennen der Stoffe in das Massenspektrometer eingeleitet. Zum Auftrennen der Metabolite ist eine Chromatographieanlage notwendig. Sie dient als "Probengeber" für das Massenspektrometer.

Mit Hilfe des Massenspektrometers werden die molekularen Massen der Einzelsubstanzen innerhalb eines Stoffgemisches bestimmt. Mit Hilfe moderner Massenspektrometer kann parallel eine große Anzahl unterschiedlichster Massen analysiert werden. Die enormen Datenmengen, die dabei entstehen, können nur mit Hilfe von entsprechender Hard- und Softwarekapazität erfasst und zugeordnet werden.

Ein anderes, seltener angewendetes Verfahren ist die NMR (Nuclear Magnetic Resonance, die Kernresonanz -Spektroskopie). Mit Hilfe dieser Analysenmethode kann auch die Molekülstruktur der Metabolite aufgeklärt werden. Voraussetzung hierfür ist allerdings eine bestimmte Mindestkonzentration der Stoffe im Bereich einiger µmol/L bis mmol/L. Meist ist die Konzentration der Metabolite jedoch deutlich niedriger, was die Möglichkeiten der NMR begrenzt.

Metabolomische Forschung

Die metabolomische Forschung eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten im Feld der Ernährung.
Folgende Aspekte stehen im Mittelpunkt:

In der folgenden Übersicht sind beispielhaft einige Studien bei gesunden und kranken Probanden zu bestimmten Parametern aufgeführt. 

Ermittlung von Biomarkern zur Erkennung vonProbanden und Ergebnisse
Oxidativem Stress15 Sportler im Triathlon-Training: signifikanter Rückgang von 3 Stressmarkern nach zweiwöchigem Training
Gemüseverzehr72 gesunde Teilnehmer mit hohem und niedrigen Gemüseverzehr: Prolin-Betain, Sulforaphane und Isoflavonoide wurden als stabile Biomarker für Gemüseverzehr identifiziert
Verminderung von Entzündungen30 gesunde Probanden in randomisierter Doppelblindstude: Reduktion nach achtstündigem Fasten
Veränderungen von Metaboliten infolge Diäten30 gesunde Probanden: starke Veränderung bestimmter Parameter, vor allem im Urin nachweisbar
Polyphenol-Metabolitenvier Männer, fünf Frauen nach Kaffeekonsum: 34 Polyphenol-Derivate konnten direkt auf den Kaffeekonsum zurückgeführt werden, davon 19 erstmals im Blutplasma gefunden
Quelle: Ernährungs-Umschau 07/2014, M 356 - 365

 

Bedeutung der Metabolomik für Ernährungswissenschaften und Medizin

Die Metabolomik kann eine Fülle neuer Erkenntnisse für die ernährungswissenschaftliche und medizinische Forschung liefern. Bereits heute bieten Arztpraxen Diensleistungen in diesem Bereich an (siehe metabolomicmedicine.com) 

Eine Stärke der Metabolomik ist die Erforschung komplexer Zusammenhänge des Stoffwechsel. Auch die Erforschung der individuellen Stoffwechselleistungen wird stark erleichtert.

Die hohen Anforderungen hinsichtlich der Geräteausstattung sowie die enormen Datenfülle erlaubte in der Pionierzeit der Metabolomik nur Publikationen im Kontext wissenschaftlicher Studien. 

Die metabolomische Forschung ist eine Voraussetzung dafür, dass in Zukunft kostengünstig und einfach zu bestimmende Laborparameter erhoben werden können, die die medizinische Diagnostik und die Ernährungsberatung sinnvoll unterstützen können.

Literatur