Articulo de referencia

Multiómica

Multiomics tiene como objetivo reunir diversas disciplinas ómicas en biotecnología a través de la computación y el análisis interdisciplinarios. La multiómica , multiómica , ómi...

Multiomics tiene como objetivo reunir diversas disciplinas ómicas en biotecnología a través de la computación y el análisis interdisciplinarios.

La multiómica , multiómica , ómica integrativa , "panómica" o "panómica" es un enfoque de análisis biológico en el que los datos consisten en múltiples " omas ", como el genoma , el epigenoma , el transcriptoma , el proteoma , el metaboloma , el exposoma y el microbioma (es decir, un metagenoma y/o metatranscriptoma , dependiendo de cómo se secuencie); [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] en otras palabras, el uso de múltiples tecnologías ómicas para estudiar la vida de manera concertada . Al combinar estos "omas", los científicos pueden analizar grandes cantidades de datos biológicos complejos para encontrar nuevas asociaciones entre entidades biológicas, identificar biomarcadores relevantes y construir marcadores elaborados de enfermedades y fisiología. Al hacerlo, la multiómica integra diversos datos ómicos para encontrar una relación o asociación genotipo-fenotipo-ambiente que coincida de manera coherente. [ 4 ] El servicio OmicTools enumera más de 99 programas informáticos relacionados con el análisis de datos multiómicos, así como más de 99 bases de datos sobre el tema.

Los enfoques de biología de sistemas a menudo se basan en el uso de datos de análisis multiómicos. [ 5 ] [ 6 ] La Sociedad Estadounidense de Oncología Clínica (ASCO) define la panómica como la interacción de todas las funciones biológicas dentro de una célula y con otras funciones del cuerpo, combinando datos recopilados por pruebas dirigidas... y ensayos globales (como la secuenciación del genoma) con otra información específica del paciente. [ 7 ]

Historia

Número de citas de los términos "Multiomics" y "Multi-omics" en PubMed hasta el 31 de diciembre de 2021.

La publicación de la estructura del ADN por Francis Crick y James Watson el 25 de abril de 1953 marcó un punto de inflexión en el estudio de la genómica . Puede considerarse el punto de partida histórico para el desarrollo de estudios interdisciplinarios y transversales en el futuro campo de la biotecnología . Estos avances propiciaron la creación de la multiómica como disciplina a finales del siglo XX.

La lectura y el estudio del transcriptoma , que comenzaron en la década de 1980, permitieron gradualmente identificar y cuantificar los productos de la expresión génica en una célula o tejido en un entorno determinado; esto marcó el comienzo de una visión "meta" de los efectos de la expresión génica en el organismo humano (por ejemplo, la fenotipología ).

A finales de la década de 2000 se observó un claro aumento en el número de publicaciones que incluían estudios multiómicos, ya sea en su metodología o en su temática (véase el gráfico de PubMed ), pasando de cero en 2000 a más de 1400 al año en 2021, con un crecimiento exponencial .

Recopilación combinada de datos multiómicos

Los enfoques combinados de recopilación de datos multiómicos han evolucionado para abordar las limitaciones de la investigación multiómica tradicional, que normalmente requiere un procesamiento de muestras por separado para diferentes clases moleculares y una posterior integración computacional, lo que introduce variabilidad y aumenta los costos.

Los primeros avances en este campo incluyen la extracción secuencial, [ 8 ] métodos de aislamiento secuencial basados ​​en TRIzol , que demostraron que un reactivo tradicionalmente utilizado para el aislamiento de ARN podía extraer simultáneamente ADN, ARN, proteínas, metabolitos y lípidos de una sola muestra. Enfoques similares como la extracción de metabolitos, proteínas y lípidos (MPLEx) [ 9 ] y el método "Tres en uno" [ 10 ] adaptaron el fraccionamiento bifásico para extraer proteínas, metabolitos y lípidos para el análisis LC-MS/MS ( espectrometría de masas en tándem ). Entre los desarrollos tecnológicos más recientes se incluye la tecnología Multi-Omic Single-Shot (MOST), [ 11 ] que integra el análisis del proteoma y el lipidoma en una sola corrida de LC-MS utilizando una columna de fase inversa y un sistema de fase móvil binaria, y el método Bead-enabled Accelerated Monophasic Multi-omics (BAMM) [ 12 ] que combina la extracción monofásica basada en n-butanol con perlas magnéticas y digestión acelerada de proteínas para el análisis separado de metabolitos , lípidos y proteínas . Una de las tecnologías más completas en este campo es Omni-MS de Dalton Bioanalytics Inc., un ensayo multiómico que utiliza su método patentado para perfilar simultáneamente proteínas, lípidos, electrolitos, metabolitos y otras moléculas pequeñas en una sola preparación y un solo análisis de LC-MS. Esta plataforma se ha aplicado al descubrimiento de biomarcadores , identificando biomarcadores potenciales en múltiples clases moleculares y en diversas condiciones y enfermedades [ 13 ] [ 14 ] incluyendo la gravedad de la COVID durante el embarazo, [ 15 ] el síndrome de deleción 22q11.2 , [ 16 ] y el angioedema hereditario . [ 17 ]

Estos enfoques integrados reducen significativamente los requisitos de muestra, el tiempo de procesamiento y la variación técnica, al tiempo que mejoran el análisis de correlación entre diferentes clases moleculares, lo que los hace cada vez más valiosos para la medicina de precisión y la investigación en biología de sistemas .

Multiómica de células individuales

Esquema de las diferentes estrategias de integración multiómica de células individuales . Adaptado de Adossa et al., 2021 [ 18 ]

Una rama del campo de la multiómica es el análisis de datos unicelulares multinivel , denominado multiómica unicelular. [ 19 ] [ 20 ] Este enfoque nos brinda una resolución sin precedentes para observar transiciones multinivel en la salud y la enfermedad a nivel de célula individual. Una ventaja con respecto al análisis masivo es la mitigación de factores de confusión derivados de la variación célula a célula, lo que permite descubrir arquitecturas tisulares heterogéneas. [ 19 ]

Los métodos para el análisis paralelo de genómica y transcriptómica de células individuales pueden basarse en la amplificación simultánea [ 21 ] o en la separación física del ARN y el ADN genómico. [ 22 ] Permiten obtener información que no se puede obtener únicamente del análisis transcriptómico, ya que los datos de ARN no contienen regiones genómicas no codificantes ni información sobre la variación del número de copias , por ejemplo. Una extensión de esta metodología es la integración de transcriptomas de células individuales a metilomas de células individuales, combinando la secuenciación de bisulfito de células individuales [ 23 ] [ 24 ] con la secuenciación de ARN de células individuales. [ 25 ] También existen otras técnicas para consultar el epigenoma, como ATAC-seq de células individuales [ 26 ] y Hi-C de células individuales [ 27 ] .

Un desafío diferente, pero relacionado, es la integración de datos proteómicos y transcriptómicos. [ 28 ] [ 29 ] Un enfoque para realizar dicha medición es separar físicamente los lisados ​​de células individuales en dos, procesando una mitad para ARN y la otra para proteínas. [ 28 ] El contenido proteico de los lisados ​​se puede medir mediante ensayos de extensión por proximidad (PEA), por ejemplo, que utilizan anticuerpos con códigos de barras de ADN. [ 30 ] Otro enfoque utiliza una combinación de sondas de ARN de metales pesados ​​y anticuerpos de proteínas para adaptar la citometría de masas para el análisis multiómico. [ 29 ]

Relacionado con la multiómica unicelular se encuentra el campo de la ómica espacial, que analiza tejidos mediante lecturas ómicas que preservan la orientación espacial relativa de las células en el tejido. El número de métodos de ómica espacial publicados aún está por debajo del número de métodos publicados para la multiómica unicelular, pero las cifras están aumentando (métodos unicelulares y espaciales).

Multiómica y aprendizaje automático

Paralelamente a la rápida evolución de la biología de alto rendimiento , las aplicaciones de aprendizaje automático en el análisis de datos biomédicos han experimentado un crecimiento exponencial. La sinergia entre la integración de datos multiómicos y el aprendizaje automático ha sido fundamental en el descubrimiento de nuevos biomarcadores . [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

Los marcos estadísticos establecidos han sentado las bases para este análisis. Por ejemplo, el proyecto mixOmics utiliza la regresión de mínimos cuadrados parciales dispersos para seleccionar características e identificar posibles biomarcadores. [ 34 ] De manera similar, el análisis de correlación canónica generalizada regularizada [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] ofrece un marco unificado y flexible para integrar datos heterogéneos, disponible a través del paquete RGCCA de R.

Partiendo de estos fundamentos, los avances recientes han introducido modelos de variables latentes más sofisticados. El análisis factorial multiómico [ 39 ] se ha consolidado como una herramienta poderosa para desentrañar las fuentes de variación en diversas modalidades de datos. Este enfoque se amplía aún más con MEFISTO [ 40 ] , que incorpora estructuras funcionales para tener en cuenta las covariables temporales o espaciales en los datos. Además, la integración del aprendizaje profundo ha dado lugar a métodos como el modelado de rutas de variables latentes profundas, que captura dependencias complejas y no lineales para refinar la identificación de biomarcadores y es capaz de integrar datos multiómicos con datos no estructurados, como imágenes complejas [ 41 ] .

Multiómica en la salud y la enfermedad

Descripción general de las fases 1 y 2 del Proyecto del Microbioma Humano (PMH).

Actualmente, la multiómica promete llenar lagunas en la comprensión de la salud y la enfermedad humanas, y muchos investigadores trabajan en formas de generar y analizar datos relacionados con enfermedades. [ 42 ] Las aplicaciones abarcan desde la comprensión de las interacciones huésped-patógeno y las enfermedades infecciosas, [ 43 ] [ 44 ] el cáncer, [ 45 ] [ 46 ] hasta una mejor comprensión de las enfermedades crónicas y complejas no transmisibles [ 47 ] y la mejora de la medicina personalizada. [ 48 ]

Proyecto Integrado del Microbioma Humano

La segunda fase del Proyecto Microbioma Humano  de $170 millones se centró en integrar datos de pacientes a diferentes conjuntos de datos ómicos, considerando la genética del huésped, la información clínica y la composición del microbioma. [ 49 ] [ 50 ] La primera fase se centró en la caracterización de comunidades en diferentes sitios del cuerpo. La segunda fase se centró en la integración de datos multiómicos del huésped y el microbioma a las enfermedades humanas. Específicamente, el proyecto utilizó multiómica para mejorar la comprensión de la interacción de los microbiomas intestinales y nasales con la diabetes tipo 2 , [ 51 ] los microbiomas intestinales y la enfermedad inflamatoria intestinal [ 52 ] y los microbiomas vaginales y el parto prematuro. [ 53 ]

Inmunología de sistemas

La complejidad de las interacciones en el sistema inmunitario humano ha impulsado la generación de una gran cantidad de datos ómicos multiescala relacionados con la inmunología. [ 54 ] El análisis de datos multiómicos se ha empleado para obtener información novedosa sobre la respuesta inmunitaria a enfermedades infecciosas, como el chikungunya pediátrico , [ 55 ] así como enfermedades autoinmunes no transmisibles . [ 56 ] La ómica integrativa también se ha empleado ampliamente para comprender la eficacia y los efectos secundarios de las vacunas , un campo llamado vacunología de sistemas. [ 57 ] Por ejemplo, la multiómica fue esencial para descubrir la asociación de los cambios en los metabolitos plasmáticos y el transcriptoma del sistema inmunitario en la respuesta a la vacunación contra el herpes zóster . [ 58 ]

Lista de software utilizado para el análisis multiómico

Bioconductor, software libre para bioinformática.

El proyecto Bioconductor recopila una variedad de paquetes de R destinados a integrar datos ómicos:

  • ómicade4 , para análisis de coinercia múltiple de conjuntos de datos multiómicos [ 59 ]
  • MultiAssayExperiment , que ofrece una interfaz de bioconductor para muestras superpuestas [ 60 ]
  • IMAS , un paquete enfocado en el uso de datos multiómicos para evaluar el empalme alternativo [ 61 ]
  • bioCancer , un paquete para la visualización de datos multiómicos de cáncer [ 62 ]
  • mixOmics , un conjunto de métodos multivariados para la integración de datos [ 34 ]
  • MultiDataSet , un paquete para encapsular múltiples conjuntos de datos [ 63 ]

El paquete RGCCA implementa un marco versátil para la integración de datos. Este paquete está disponible gratuitamente en la Red Integral de Archivos de R (CRAN).

La base de datos OmicTools [ 64 ] destaca además paquetes de R y otras herramientas para el análisis de datos multiómicos:

  • PaintOmics , un recurso web para la visualización de conjuntos de datos multiómicos [ 65 ] [ 66 ]
  • SIGMA, un programa Java enfocado en el análisis integrado de conjuntos de datos de cáncer [ 67 ]
  • iOmicsPASS, una herramienta en C++ para la predicción de fenotipos basada en multiómica [ 68 ]
  • Grimon , una interfaz gráfica de R para la visualización de datos multiómicos [ 69 ]
  • Omics Pipe , un marco de trabajo en Python para automatizar de forma reproducible el análisis de datos multiómicos [ 70 ].

Bases de datos multiómicas

Una limitación importante de los estudios ómicos clásicos es el aislamiento de un solo nivel de complejidad biológica. Por ejemplo, los estudios transcriptómicos pueden proporcionar información a nivel de transcripción, pero muchas entidades diferentes contribuyen al estado biológico de la muestra ( variantes genómicas , modificaciones postraduccionales , productos metabólicos, organismos que interactúan, entre otros). Con el auge de la biología de alto rendimiento , resulta cada vez más asequible realizar múltiples mediciones, lo que permite correlaciones e inferencias entre dominios (por ejemplo, niveles de ARN y proteínas). Estas correlaciones facilitan la construcción de redes biológicas más completas , llenando así lagunas en nuestro conocimiento.

Sin embargo, la integración de datos no es una tarea fácil. Para facilitar el proceso, algunos grupos han creado bases de datos y flujos de trabajo para explorar sistemáticamente los datos multiómicos:

Véase también

Referencias

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