در پاسخ به مصرف یک شیک غذای مخلوط، که مشخصات متابولیکی پیچیده ای دارد، محققان به ناهمگونی بالایی در پاسخ های متابولیک و ایمنی فردی اشاره کردند. محققان 155 لیپید، 560 متابولیت و 54 سیتوکین/هورمون را در هر میکرونمونه شناسایی کردند. بیشترین افزایش قابل توجه متابولیت ها و لیپیدها به ترتیب پس از حدود 60 و 120 دقیقه مصرف شیک به بالاترین سطح رسید و تا 240 دقیقه به سطح اولیه بازگشت. مطالعات آینده باید دلایل این تغییرات را در سطح فردی برای کمک به بهینه‌سازی تغییر رژیم غذایی و سبک زندگی برای سلامتی سفارشی، کاهش وزن و مدیریت بیماری‌های متابولیک کشف کند.
محققان تلاش کردند نشان دهند که چگونه یک روش نمونه برداری ریز می تواند به طور موثر تمام تغییرات بیولوژیکی مربوط به سبک زندگی را در یک فرد ثبت کند.
زمینه
در مطالعه اخیر منتشر شده در مهندسی زیست پزشکی طبیعتمحققان یک گردش کار میکرونمونه‌برداری مبتنی بر چند omics برای پروفایل پروتئین‌ها، متابولیت‌ها، لیپیدها و سیتوکین‌ها و هورمون‌های خاص، به عنوان مثال، چندین آنالیت، در یک نمونه خون 10 میکرولیتری (ریزنمونه) ایجاد کردند.
در نهایت، تیم این مجموعه داده omics پردازش شده، حاشیه نویسی و سرپرستی شده را تجزیه و تحلیل کرد. علاوه بر این، محققان از حسگرهای پوشیدنی در کنار ریزنمونه‌برداری چند omics برای تسهیل پروفایل سلامت پویا، به عنوان مثال، تغییرات فیزیولوژیکی درون روز در ضربان قلب (HR) استفاده کردند.
به طور کلی، روش مطالعه می‌تواند به تعیین کمیت هزاران مولکول، از جمله هورمون‌ها و سیتوکین‌ها، حتی اگر در مقادیر ناچیز در خون باشد، کمک کند.
مطالعه موردی دوم به محققان کمک کرد تا نوسانات مولکولی در مقیاس بزرگ و ارتباطات مولکولی متعدد مرتبط با تغییرات فیزیولوژیکی و فعالیت‌های فیزیکی در طول روز، با سطوح بیومارکر بالینی، مانند گلوکز و کورتیزول را کشف کنند. آنها این پروفیل 24 در 7 با وضوح بالا یا بسیار متراکم را با استفاده از 98 نمونه میکرو در طول یک هفته انجام دادند. همه شرکت‌کنندگان در طول هفت روز هر یک تا دو ساعت یک‌بار نمونه‌های ریز خون را جمع‌آوری کردند که برخی از نمونه‌ها به فاصله 30 دقیقه از هم فاصله داشتند. این به محققان کمک کرد تا 98 میکرونمونه را با داده های پوشیدنی از دو دستگاه، یک ساعت هوشمند و یک مانیتور مداوم قند (CGM) جمع آوری کنند.
یافته های مطالعه
با این وجود، روش ارائه‌شده می‌تواند در تحقیقات و مطالعات پایداری در مقیاس بزرگ ارزشمند باشد، با توجه به اینکه آنالیت‌ها در طول زمان و با دماهای متغیر قبل از تعیین کمیت پایدار می‌مانند. اکثر آنالیت‌ها، به‌ویژه پروتئین‌ها، پایدار ماندند، در حالی که لیپیدها کمترین پایداری آنالیت‌ها را داشتند. برخی از مسائل ممکن است با مولکول های نسبتا ناپایدار ایجاد شود. برای رسیدگی به آن، ابتدا، روش‌های جمع‌آوری نمونه می‌تواند شامل حمل و نقل سریع و سرد باشد، زیرا پردازش آنها در عرض 24 ساعت تخریب را به حداقل می‌رساند. راه دیگر می تواند کمی کردن آنها از محصولات تخریب منحصر به فرد آنها باشد.
در مطالعه موردی دوم، محققان 214661 اندازه گیری بیوشیمیایی را علاوه بر داده های فیزیولوژیکی پوشیدنی جمع آوری کردند تا به تجزیه و تحلیل کل بدن انسان و سبک زندگی، تغییرات آنها در مقیاس ساعتی و روابط در سطح شخصی کمک کنند. آنها 2213 پروفایل مولکولی داخلی را با استفاده از تجزیه و تحلیل خوشه‌بندی c-means فازی در 11 خوشه گروه‌بندی کردند که دو مورد از آنها از الگوهای شبانه‌روزی پیروی کردند. خوشه 4 غنی شده در چندین متابولیت در طول روز به اوج خود رسید، در حالی که خوشه 11، که عمدتاً شامل لیپیدها است، در شب به اوج خود رسید. روش ریزنمونه‌برداری همچنین فارماکوکینتیک آسپرین، دارویی که توسط یک شرکت‌کننده در مطالعه در مقادیر کم به مدت چهار روز مصرف می‌شد، نشان داد. محصول هیدرولیز شده آن، اسید سالیسیلیک را شناسایی کرد و یک دوره پاکسازی حدود 24 ساعت را نشان داد.
نتیجه گیری
علیرغم پیشرفت در فناوری‌های چند omics، جمع‌آوری نمونه و تکنیک‌های پردازش کنونی دست و پا گیر هستند. آنها نیاز به سفر به کلینیک و دسترسی به فلبوتومیست دارند و به اندازه کافی انعطاف پذیر و غیر تهاجمی نیستند و در نتیجه باعث ناراحتی بیمار می شوند.
مطالعات نشان داده‌اند که نمونه‌برداری از لکه‌های خون خشک (DBS) اغلب تکرارناپذیر است و به دلیل کمبود حجم نمونه کافی، مانع از تجزیه و تحلیل آنالیت (ها) می‌شود.
سیستم پروفیل چند omics کارآمد مطالعه حاضر، پروفایل مولکولی با فرکانس بالا را با حجم نمونه ثابت 10 میکرولیتر فعال کرد. روش جمع آوری خون با نیش انگشت درد را به حداقل رساند و نمونه برداری را در چند دقیقه بدون نیاز به مراجعه به کلینیک یا تکنسین آزمایشگاه امکان پذیر کرد. علاوه بر این، مقیاس پذیر و آسان برای انجام از راه دور بود.
در اولین مطالعه موردی، آنها پاسخ به یک مداخله غذایی پیچیده، یعنی اطمینان از لرزش را برای کشف پاسخ های التهابی و متابولیک در سطح فردی ارزیابی کردند. آنها 28 فرد را با پیشینه های مختلف غربال کردند تا شش معیار پاسخ متابولیک را ایجاد کنند.
به همین ترتیب، تیم استخراج دوفازی با متیل ترت بوتیل اتر (MTBE) را برای استخراج موثر لیپیدها، پروتئین ها و متابولیت ها از 10 میکرولیتر نمونه خون (میکرو) انتخاب کردند. همچنین، اطمینان حاصل کرد که این آنالیت ها در فرم پردازش شده مناسب برای کسب داده های پروتئومیکس هستند. آنها از یک نمونه ریز خون دیگر برای انجام تست های ایمنی چندگانه استفاده کردند.
به طور کلی، این پتانسیل برای کشف، نظارت و پروفایل سلامتی نشانگرهای زیستی مولکولی و دیجیتالی جامع، پویا و در مقیاس بزرگ را نشان داد.
علاوه بر این، آنها به 10 تا 50 میلی لیتر خون وریدی نیاز دارند که جمع آوری مکرر را محدود می کند، که به نوبه خود، مانع از تجزیه و تحلیل با وضوح بالا فرآیندهای بیولوژیکی می شود که در طول چند دقیقه یا چند ساعت در داخل بدن انجام می شود. در نهایت، هزینه های بالای پردازش نمونه می تواند دلیلی برای عدم تمایل افراد به شرکت در مطالعات مقیاس بزرگ در مناطق دوردست باشد.
در مطالعه حاضر، محققان دو مطالعه موردی را برای نشان دادن قابلیت‌های تحلیلی گردش کار میکرونمونه‌برداری چند omics در گرفتن و تجزیه و تحلیل هزاران متابولیت، لیپید، سیتوکین و پروتئین در 10 میکرولیتر خون توصیف کردند. آنها از یک دستگاه مبتنی بر ماتریس جامد به نام میترا برای جمع آوری حجم خون ثابت استفاده کردند.
با این حال، ریزنمونه‌برداری جذبی حجمی (VAMS) نسبتاً پایدارتر است و به طور قابل اعتمادی به عملکرد تحلیلی مناسبی برای متابولیت‌های هدف مانند لیپیدها و پروتئین‌ها دست می‌یابد. در مقایسه با DBS، VAMS کمتر تهاجمی است و انجام آن از راه دور در تنظیمات بومی آسان است.