ΑΠΟ ΤΑ GENOMICS ΣΤΑ PROTEOMICS ΣΤΗΝ ΕΞΑΤΟΜΙΚΕΥΜΕΝΗ ΟΔΟΝΤΙΑΤΡΙΚΗ

Είναι παραδεκτό πλέον ότι έχει ανοίξει μια νέα εποχή τεράστιας εξέλιξης στην σύγχρονη Οδοντιατρική. Η νέα αυτή Οδοντιατρική και Ιατρική που την αποκαλούν precision Medicine δεν θα ήταν εφικτή, αν δεν είχε λάβει χώρα η τεράστια εξέλιξη στα genomics και ακολούθως στα proteomics. Είναι γεγονός ότι η ανακάλυψη κι η αποκωδικοποίηση του γενετικού κώδικα του ανθρώπου το 2003 ήταν ένας τεράστιος άθλος. Τριάντα χρόνια πριν η αποκωδικοποίηση και ταυτοποίηση 3,2 δισεκατομμύρια ζευγών δομών του DNA ήταν αδιανόητη. Όμως, η δραματική εξέλιξη των υπολογιστών έδωσε τη δυνατότητα στο Human Genome Project να ολοκληρωθεί σε μόλις 13 χρόνια από λαμπρούς επιστήμονες από 6 χώρες με συνολικό κόστος μόλις 1 δισ. $. Έτσι σήμερα, φτάσαμε ένα απλό τεστ DNA να κοστίζει λιγότερο από 100$. Με τη βοήθεια αυτής της τεράστιας και προσιτής πλέον γνώσης, η έρευνα άρχισε να κάνει τεράστια άλματα στην ιατρική.
Ιστορική Εξέλιξη
Το 1961 οι Marshall Nirenberg και Gobind Khorama δημιούργησαν τον όρο DNA που αναφέρεται στα αρχικά των τριών (γνωστών πλέον) αμινοξέων. Όταν τα αμινοξέα συνδυάζονται κατά την μετάφρασή τους δημιουργούν τις διάφορες πρωτεΐνες. Το 1968 κέρδισαν το βραβείο Nobel μαζί με τον R.Holley για την ανακάλυψη του sequencing του tRNA.


Το 1977 ο F.Sanger ανακάλυψε μια τεχνική προσδιορισμού της ακολουθίας της αλληλουχίας του DNA, ταυτοποιώντας το πρώτο γονιδίωμα του ιού phiX174 και ουσιαστικά δημιούργησε αυτό που σήμερα ονομάζουμε genomics.To 1980 κέρδισε το βραβείο Nobel μαζί με τους Wally Gillbert και Paul Berg για τις τεχνικές ταυτοποίησης.
Το 1992 για πρώτη φορά αναπτύχθηκαν τεχνικές ταυτοποίησης γενετικών ασθενειών σε έμβρυα. Έτσι, ασθένειες όπως η κυστική ίνωση ή η αιμοφιλία μπορούσαν να ανιχνευθούν με τα γενετικά τεστ.
Το 1955 η πρώτη ταυτοποίηση του γενετικού κώδικα της Haemophilus influenza ολοκληρώθηκε και ένα χρόνο αργότερα του βακτηρίου του βιουμενίου, Saccharomyces cerevisiae. Την ίδια χρονιά, γεννήθηκε και το πρώτο κλωνοποιημένο ζώο,το πρόβατο Dolly .
Το 1998 οι J. Sulston και B.Waterson ανακοίνωσαν την ταυτοποίηση όλου του γενετικού κώδικα του σκώληκα Caenorhabditis elegans.
Εν τω μεταξύ, το Human Genome project που είχε ξεκινήσει το 1990 είχε κάνει τεράστιες προόδους. Αρχικά είχε σκοπό να ταυτοποιήσει τα 3 δισεκατομμύρια γράμματα του γενετικού κώδικα. Πρώτο είχε ταυτοποιηθεί το χρωμόσωμα 22 το 1999. Το 2003 όλο το project είχε ολοκληρωθεί με την ταυτοποίηση των 20-25.000 ανθρώπινων γονιδίων. Το International Mouse Genome Sequencing Consortium που πρώτο είχε ταυτοποιήσει το πλήρες γονιδίωμα θηλαστικού, κατέδειξε ότι αυτό του ποντικιού διαφέρει από το ανθρώπινο ακόμη και στο μέγεθος.
Το 2007 με την εξέλιξη της τεχνολογίας εβδομηνταπολλαπλασιάστηκε η δυνατότητα αναγνώρισης του γενετικού κώδικα , δίνοντας τη δυνατότητα ταυτοποίησης του DNA σε μεγάλες ομάδες ανθρώπων (1000 Genes Project – 2008). Έτσι, περάσαμε από την εποχή των genomics στην εποχή των transciptomics και των proteomics .

Με τον όρο Proteomics περιγράφεται η μελέτη των πρωτεϊνών. Είναι η μελέτη που ξεκίνησε από την αποκρυπτογράφηση του γενετικού κώδικα, γνωστού ως genome.Η μελέτη των πρωτεϊνών (proteomics) δεν ασχολείται μόνον με την αλληλουχία των πρωτεϊνών σε ένα κύτταρο, αλλά και με την ανίχνευση-σε ελάχιστη ποσότητα-αυτών, καθώς και με τη συσχέτιση μεταξύ τους, τις λειτουργίες τους σε επίπεδο κυτταρικό, αλλά και στο γενικότερο φαινοτυπικό προφίλ. Έτσι, η βιοχημεία που βασικά διαχειρίζεται αυτό το επιστημονικό θέμα προσπαθεί να ερμηνεύσει την ακριβή λειτουργία κάθε πρωτεΐνης σε κυτταρικό επίπεδο, αλλά και στην λειτουργία του οργανισμού.
Αρχικά στα proteomics ο διαχωρισμός των πρωτεϊνών βασιζόταν στην ηλεκτροφόρηση και στην εντοπισμένη φασματομετρική ανίχνευση των πρωτεϊνικών σημείων. Η εξέλιξη των proteomics με την μαζική φασματομετρική ανάλυση, έδωσε τη δυνατότητα ανίχνευσης ακόμη μικρότερων ποσοτήτων πρωτεϊνών. Οι Baumeister και συν. σε συστηματική ανασκόπηση δείχνουν την εξέλιξη της ταυτοποίησης των πρωτεϊνών και την ανεύρεση της λειτουργίας τους και της δράσης τους μεμονωμένα, αλλά και σε συμπλέγματα. Έτσι με την X-Ray κρυσταλλογραφία και το NMR (nuclear magnetic resonance) έγινε δυνατόν σε πρωτεϊνικό επίπεδο να ανιχνεύονται και να ταυτοποιούνται ακόμη και ελάχιστα ίχνη πρωτεϊνών. Οι Boguski και McIntosh * σε μελέτες αναδεικνύουν τη σημασία της πληροφορικής (medical informatics) που με τους σύγχρονους αλγορίθμους (ScanSite) δίνει τη δυνατότητα πολύπλοκων συσχετισμών με παράλληλη εξέλιξη στα proteomics και genomics. Μεγάλα databases δημιουργήθηκαν. Τα medical informatics πλέον είναι εργαλείο στην σύγχρονη εξέλιξη, με την Ευρωπαϊκή Ένωση να διαθέτει ήδη τα European Bioinformatics Institute και Human Proteome Organisation (HUPU) που μελετούν τη διάδραση των πρωτεϊνών. Οι μελέτες πάνω στο βιο-υμένιο και στο πρωτεϊνωμα της malaria και άλλων βακτηρίων από τους Aabersold και Mann έχουν ανοίξει νέους ορίζοντες στην μελέτη της δράσης των πρωτεϊνών στη λειτουργία των κυττάρων, αλλά και στη σχέση της βιογένεσης των ριβοσωμάτων και της κυτταρικής διαίρεσης. Σε μελέτες έχει ανευρεθεί η συσχέτιση παρουσίας πρωτεϊνών με συγκεκριμένες ασθένειες ή με κάποιες βασικές λειτουργίες. Ο S.Hanash έθεσε σαν ερευνητικούς στόχους (πρόεδρος του HUPO) την ανεύρεση της λεπτομερούς δράσης των πρωτεϊνών στις διάφορες βιολογικές λειτουργίες και ασθένειες, ώστε να δημιουργούνται εστιασμένα φάρμακα και κλινικές εφαρμογές(Precision Medicine).
Η τεράστια αυτή εξέλιξη στα proteomics και genomics αναπόφευκτα έχει αλλάξει τη μορφή της ιατρικής θεραπείας σε πολλές νόσους. Έτσι, η επίδραση στο ανοσοποιητικό σύστημα, η θεραπεία του Ca έχει λάβει περισσότερο τη μορφή custom made θεραπείας. Καρκινικά κύτταρα ενίονται σε πειραματόζωα και σε αυτά δοκιμάζονται διάφορα χημειοθεραπευτικά για να αποφύγουν τα παρενέργειες από την άμεση χορήγηση στον ασθενή και να επιτυγχάνονται τα optimum αποτελέσματα. Η βαθύτερη κατανόηση της λειτουργίας του αμυντικού συστήματος οδηγεί σε νέου τύπου θεραπείες, για παράδειγμα με τη χρήση συγκεκριμένων αυτόλογων κυττάρων του ανοσοποιητικού, όπως τα TIL (tumor infiltrated lymphocytes).
Biomarkers (βιοδείκτες ) πλέον συλλέγονται εύκολα και γρήγορα και ταυτοποιούνται με παράγοντες κινδύνου συγκεκριμένων νοσημάτων.
Τεράστια databases DNA (665 εκατομμύρια γονιδιακές ποικιλομορφίες), σιέλου, αίματος και ούρων (στην Αγγλία υπάρχουν δείγματα από 500.000 ανθρώπους) χρησιμεύουν για την συσχέτιση νόσων και πρόγνωση θεραπειών με το πρωτεϊνικό και γονιδιακό προφίλ.
Τα genomics έχουν συμβάλλει και στην καλύτερη πρόγνωση του IVF, αλλά και την ταχύτερη, πρώιμη διάγνωση ασθενειών όπως ο καρκίνος του μαστού, τα καρδιοαγγειακά προβλήματα, ο διαβήτης τύπου 2.
Τον πλήρη κατάλογο των ανθρώπινων γονιδίων, τη λειτουργία τους, αλλά και τις επιπτώσεις από τις γενετικές αλλαγές μπορούμε να τα βρούμε στην ηλεκτρονική διεύθυνση: https://ghr.nlm.nih.gov/gene?initial=h
Στην Οδοντιατρική τα τελευταία χρόνια τα proteomics και genomics έχουν ανοίξει νέους ορίζοντες σε διάφορα γνωστικά αντικείμενα. Η έγκαιρη διάγνωση είναι ουσιώδης στην πρόληψη, στη μείωση της βαρύτητας, αλλά και στην πρόγνωση της θεραπείας των οδοντικών νοσημάτων.

Το σάλιο μελετήθηκε εκτενώς την τελευταία δεκαετία για τη συσχέτιση γενετικού υλικού και πρωτεϊνών που περιέχει με συστεμικά, αλλά και

οδοντιατρικά προβλήματα. Έτσι, μπορεί να διαγνωσθεί η προδιάθεση ή και παρουσία νόσων, όπως τα αυτοάνοσα προβλήματα, η κυστική ίνωση, το συνδρομο Sjogren, τα καρδιοαγγειακά προβλήματα, ο διαβήτης ,ο HIV, ο στοματικός καρκίνος, η τερηδόνα αλλά και η περιοδοντική νόσος.
Tελευταία, τα genomics έχουν διεισδύσει σε απίστευτο βαθμό στη γενετική ταυτοποίηση ατόμων σε ευρεία κλίμακα, αλλά και σε διάφορα γενετικά τεστ. Έτσι, τα DNA τεστ από το 2003 που πρωτοεμφανίστηκαν, έχουν καταστεί εργαλεία ασφαλή και απλά (με απλή λήψη σιέλου), από το 2017 είναι εργαλεία για έγκαιρη διάγνωση ασθενειών και προδιαθέσεων, ενώ ταυτόχρονα χρησιμοποιούνται στην εθνική και γενεαλογική ταυτοποίηση, καθώς και για την πρόληψη γενετικών ανωμαλιών σε οικογένειες που σκοπεύουν να τεκνοποιήσουν. Τα σοβαρότερα που κυκλοφορούν είναι τα 23andme,$69, Ancestry DNA,$59,My heritage $49, Living DNA $79,FTDNA National Georgaphic Geno 2.0 $60(ποσοστό ακριβούς ορθής πρόβλεψης 97%).

Έχει ήδη προχωρήσει η γενετική ταυτοποίηση οδοντοφατνιακών και γναθοπροσωπικών ανωμαλιών. Έτσι, οι Fabiano Jeremias και συν. (2013) σε έρευνα για την ατελή αδαμαντινογενεσία (amelogenesis imparfecta), μελέτησαν 11 βιοδείκτες σε πέντε γονίδια [ameloblastin (AMBN), amelogenin (AMELX), enamelin (ENAM), tuftelin (TUFT1), και tuftelin-interacting protein 11 (TFIP11)].Σε μελέτη για το σύνδρομο Piere Robin (μικρογναθία κάτω γνάθου) βρέθηκαν αλλαγές στο DNA πλησίον του γονιδίου SOX9. Οι μελέτες προχωρούν και θα φθάσουμε σε σημείο να μπορούμε με τα DNA tests να προλάβουμε αυτές τις ανωμαλίες. Ταυτόχρονα, εξελίσσεται το σύστημα CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats-Fransico Mojica –Univ.Alicante) τροποποίησης γονιδίων με τελικό στόχο τη γονιδιακή θεραπεία πολλών ασθενειών.
Στην Ορθοδοντική, οι γενετικές μελέτες μπορούν να διαγνώσουν τη δυνατότητα αύξησης των γνάθων ανάλογα με τα γενετικά τους χαρακτηριστικά, δημιουργώντας έτσι πιο αποτελεσματικά θεραπευτικά πρωτόκολλα αναφορικά με τις συσκευές και τον χρόνο παρέμβασης. Γενικά, οι γενετικές ποικιλομορφίες συσχετίζονται σε πολλές μελέτες με το μέγεθος και την μορφολογία των γνάθων, αλλά και τις συγκλεισιακές ανωμαλίες. Σε μελέτη των James K. Hartsfield, Jr. και συν. (2017) αναφέρεται ότι το γονίδιο CYP19A1 σχετίζεται σε άνδρες ασθενείς με την αύξηση των γνάθων κατά την ορθοδοντική θεραπεία (1,5mm για την άνω και 2,5mm για την κάτω γνάθο). Άλλες ποικιλομορφίες σε γενετικούς παράγοντες, όπως τον Pro561Thr (P561T) σχετίζονται με τη διάσταση κονδύλου-πωγωνίου με μικρότερη διάσταση σε αυτούς που διαθέτουν το GHR P56IT αλλήλιο (4,6mm βραχύτερο).
Στην παθοφυσιολογία της περιοδοντίτιδος σε μελέτες (Shin MS, Kim YG) χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές Ingenuity Pathway Analysis και ELISA (Enzyme-linked immunosorbent assay ).Η ELISA έδειξε ότι οι biomarkers S100A8 και S100A9 είναι υψηλότεροι σε περιοδοντικούς ασθενείς.
Στην περιοδοντολογία σε μελέτες (Shin MS και συν., 2018) με Ingenuity Pathway Analysis και με ELISA (Enzyme-linked immunosorbent assay) οι πρωτεΐνες του σιέλου S100A8 και S100A9 είναι biomarkers της περιοδοντίτιδος. Οι Munz M και συν. ( 2019) με την σύγχρονη εξέλιξη στα genomics συσχέτισαν τον γενετικό κίνδυνο της περιοδοντίτιδος με το ψευδογονίδιο MTND1P5 στο chromosome 8 και ιντρόνια από την μακρά ακολουθία του μη μεταφραζόμενου RNA LOC107984137 στο chromosome 16.
Στη μελέτη της τερηδόνας οι Trautmann S και συν. (2018) απομόνωσαν 23 πρωτεΐνες από το βιοφίλμ που θεωρούνται biomarkers της τερηδόνας.
Στην οστική αναγέννηση οι Calciolari E., Mardas N., Dereka X., Anagnostopoulos AK., Tsangaris GT., Donos, N. (2018) περιέγραψαν από πρωτεομικής πλευράς την πρώιμη φάση της οστικής αναγέννησης.
Με τα proteomics έχει γίνει ακριβής ταυτοποίηση στην Οστική αναγέννηση των πρωτεϊνών και του ρόλου τους κατά τη φάση της επούλωσης όπως οι TGF-β1 TGF-α,EGF,HGF,FGF-1,2,KGF,TGF-β, PDGF-BB συγκεντρώσεις IL-1β (interleukin-1β) καιIL-6 (interleukin-6). Έτσι, έχει δοθεί δυναμική στην εξέλιξη τεχνικών χρήσης πρωτεϊνών που έχουν προέλευση είτε ξένο η αλλογενή, όπως η αμελογενίνη (Emdogain)(Donos, N. et al., 2005) ή αυτόλογη προέλευση, στις τεχνικές φυγοκέντρισης (PRP,PRGF,PRF) και το BMP-2.
Η DNA ανάλυση με τα υπάρχοντα DNA tests που υπάρχουν ήδη σήμερα, αλλά και με άλλες νεότερες τεχνικές που σύντομα εξελίσσονται θα πρέπει να γίνουν βασικό κομμάτι της διαχείρισης της υγείας του ασθενούς.
Με την ραγδαία εξέλιξη της πληροφορικής, η δυνατότητα δημιουργίας τεράστιων βάσεων δεδομένων από κάθε ασθενή που να έχουν την ακριβή γονιδιακή ταυτότητα σύντομα θα είναι πραγματικότητα.
Βάσει αυτής, πλέον, η πρόληψη και η θεραπεία κάθε ασθενούς θα είναι εξατομικευμένη και με απόλυτη ακρίβεια σχεδιασμένη. Η ταυτοποίηση της λειτουργίας και του ρόλου των πρωτεϊνών σε υγεία, ασθένεια και θεραπεία θα δώσει επιπλέον τη δυνατότητα καλύτερης εξατομίκευσης της διάγνωσης, της θεραπείας καθώς και του σχεδιασμού φαρμάκων κατά περίπτωση. Αναφορικά με τα φάρμακα και τη δράση τους ήδη καινούργια φάρμακα πρώτα δοκιμάζονται σε πειραματικά αλγοριθμικά μοντέλα ή πειραματόζωα που αναπαράγουν την ασθένεια κατά περίπτωση, ώστε να καθίστανται αβλαβή και αποτελεσματικά για την συγκεκριμένη ασθένεια του συγκεκριμένου ασθενούς.
Είναι προφανές ότι έχουμε εισέλθει σε μια νέα θεώρηση των ασθενειών.
Πολλές από αυτές μας αποκαλύπτουν ότι είναι πιο σύνθετες και ουσιαστικά αποτελούνται από πολλαπλές επιμέρους ασθένειες .Η διάγνωση ,ο έλεγχος αυτών αλλά και η θεραπεία τους αρχίζει να μην θεραπεύει συμπτώματα αλλά την γενεσιουργό αιτία τους σε επίπεδο γονιδιακό και πρωτεινικό.
Είναι δεδομένο ότι πολλές από τις οδοντιατρικές νόσους και σύνδρομα που διαχειριζόμαστε είναι πιθανόν στο εγγύς μέλλον να μην υπάρχουν με τη μορφή και τη δραματική έκταση που έχουν σήμερα.
Το Μέλλον είναι εδώ…αρκεί να αλλάξουμε τον τρόπο που βλέπουμε την πραγματικότητα…
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
Donos N, Bosshardt D, Lang N, Graziani F, Tonetti M, Karring T, Kostopoulos L. Bone formation by enamel matrix proteins and xenografts: an experimental study in the rat ramus. Clin Oral Implants Res. 2005 Apr;16(2):140–6. [PubMed]
Shin MS, Kim YG, Shin YJ, Ko BJ, Kim S,Kim HD.Deep sequencing salivary proteins for periodontitis using proteomics. Clin Oral Investig. 2018 Dec 15. doi: 10.1007/s00784-018-2779-1. [Epub ahead of print]
Trautmann S, Barghash A, Fecher-Trost C, Schalkowsky P, Hannig C, Kirsch J, Rupf S, Keller A, Helms V, Hannig M.Proteomic Analysis of the Initial Oral Pellicle in Caries-Active and Caries-Free Individuals.Proteomics Clin Appl. 2018 Dec 8:e1800143. doi: 10.1002/prca.201800143. [Epub ahead of print]
Calciolari E, Mardas N, Dereka X, Anagnostopoulos AK, Tsangaris GT, Donos N. Protein expression during early stages of bone regeneration under hydrophobic and hydrophilic titanium domes. A pilot study.J Periodontal Res. 2018 Apr;53(2):174-187. doi: 10.1111/jre.12498. Epub 2017 Oct 24.
Munz M, Richter GM, Loos BG, Jepsen S, Divaris K, Offenbacher S, Teumer A, Holtfreter B, Kocher T, Bruckmann C, Jockel-Schneider Y, Graetz C Ahmad I, Staufenbiel I, van der Velde N, Uitterlinden AG, de Groot LCPGM, Wellmann J7, Berger K, Krone B, Hoffmann P, Laudes M, Lieb W, Franke A, Erdmann J, Dommisch H, Schaefer AS. Meta-analysis of genome-wide association studies of aggressive and chronic periodontitis identifies two novel risk loci.Eur J Hum Genet. 2019 Jan;27(1):102-113. doi: 10.1038/s41431-018-0265-5. Epub 2018 Sep 14.