Статья представляет собой краткий обзор экспосомики – современной области биомедицинских и химико-аналитических исследований, связанных с изучением суммы различных внешних воздействий на организм человека в течение длительного периода времени. Рассмотрены сложная структура и компоненты экспосома. Выделены внешний и внутренний экспосомы и их химические составляющие, в том числе экзогенные соединения, продукты их биотрасформации и эндогенные метаболиты. Отмечено, что развитие экспосомики в ее химических аспектах неразрывно связано с применением методов нецелевого химического анализа, включающих различные варианты хроматографии и масс-спектрометрии. Охарактеризовано развитие информатики, которое привело к появлению многочисленных баз данных, отражающих связи между различными химическими соединениями и теми или иными заболеваниями. Сформулированы задачи экспосомных исследований, которые проводят или должны проводить химики-аналитики.
Б. Л. Мильман, д. х. н., И. К. Журкович, к. х. н.
Статья представляет собой краткий обзор экспосомики – современной области биомедицинских и химико-аналитических исследований, связанных с изучением суммы различных внешних воздействий на организм человека в течение длительного периода времени. Рассмотрены сложная структура и компоненты экспосома. Выделены внешний и внутренний экспосомы и их химические составляющие, в том числе экзогенные соединения, продукты их биотрасформации и эндогенные метаболиты. Отмечено, что развитие экспосомики в ее химических аспектах неразрывно связано с применением методов нецелевого химического анализа, включающих различные варианты хроматографии и масс-спектрометрии. Охарактеризовано развитие информатики, которое привело к появлению многочисленных баз данных, отражающих связи между различными химическими соединениями и теми или иными заболеваниями. Сформулированы задачи экспосомных исследований, которые проводят или должны проводить химики-аналитики.
Ключевые слова: экспосом, биомаркеры, хроматография, масс-спектрометрия, базы данных, химическая безопасность
Современные науки о жизни включают разделы, называемые -омиками: геномику, транскриптомику, протеомику, метаболомику и др. (см.[1]). Каждая из -омик включает изучение соответствующего –ома; например, геномика охватывает исследования генома – всей совокупности наследственных признаков, генов. В начале 21 века появилось еще одно родственное понятие – экспосом [2]. Совокупность научных областей, в рамках которых проводятся исследования экспосома (экспосомов), называют экспосомикой.
В настоящей публикации эта новая область знаний будет охарактеризована в виде короткого обзора, основное содержание которого связано с химическими компонентами экспосома. Многие из них оказываются опасными химическими соединениями, несущими угрозу здоровью человека, или продуктами превращений таких соединений. В статье перечислены задачи, которые предстоит решать химикам-аналитикам в их работах, составляющих по определению центральную часть экспосомики: выявление разнообразных соединений, представляющих собой биомаркеры воздействия внешней среды и биомаркеры соответствующих заболеваний.
Экспосомика и экспосом
В соответствии с современной терминологией, экспосом может быть определен как мера всех воздействий (exposure) на человека в течение жизни и мера того, как эти воздействия связаны со здоровьем [3]. Эти воздействия дополняют роль генетических факторов (соответствующие заболевания определяют приблизительно 10% смертей [4]) в формировании фенотипа (т. е. суммы признаков и характеристик индивида). Воздействия по своей природе очень разнообразны (рис. 1 и 2).
В той степени, в которой справедливо приведенное выше определение экспосома, основное в экспосомике – определение меры воздействий, то есть соответствующие измерения. Многие факторы окружающей среды (социально-экономические факторы внешнего экспосома, см. рис. 2), однако, с трудом поддаются точному истолкованию и измерению. Важно, что это не относится к химическим соединениям в составе объектов окружающей среды, контактирующей с человеком (воздух, вода, почва), и продуктов питания, в том числе напитков. Эти объекты относятся к внешнему экспосому.
Их «текущий» химический состав может быть определен как в качественном (идентификация), так и количественном (измерение концентрации) отношении, но сделать это в рамках всего жизненного периода в настоящее время очень трудно.
Химические измерения особенно важны в отношении внутреннего экспосома [4–6]. Он включает соединения, попадающие из окружающей среды (экзогенные вещества), их метаболиты и эндогенные соединения естественного происхождения – продукты собственного метаболизма человека. Часть метаболитов является биомаркерами воздействия окружающей среды (биомаркерами отклика, воздействия) и биомаркерами заболеваний. Составная часть внутреннего экспосома – эндогенные соединения, появляющиеся, в том числе, в результате окислительного стресса, воспалительных процессов, инфекций и др. Существенно, что уровни эндогенных компонентов могут меняться в зависимости от экзогенных воздействий. Таким образом, внутренний экспосом имеет весьма сложную химическую природу – как следствие не только значительного разнообразия химических соединений [7], но и различий в источниках их появления. То или иное прояснение этой картины достигается использованием методов химического анализа и их вариацией.
Отмечают [8], что в Северной Америке и Европе постоянно проводят мониторинг биологических проб, связанный с определением (причем не одновременным) лишь ~300 химических соединений. Это означает, что сейчас широкие исследования в области экспосомики только начинаются, и кумулятивные эффекты химического экспосома еще не изучены.
Токсикологические,
химико-аналитические и информационные аспекты
Многие исследователи отмечают взаимосвязь экспосомики и токсикологии [9, 10]. Эта связь, в частности, проявляется в том, что многие загрязнения окружающей среды представляют собой токсичные соединения с соответствующим влиянием на здоровье человека. Появился термин «токсичный экспосом» [11]. Замечают, что в токсикологии принято изучать молекулярный механизм появления отравлений, что разумно переносить на исследования в области экспосомики.
Учитывая тот факт, что многие новые или малоизученные соединения, полученные путем синтеза или выделенные из природных источников, представляют опасность для здоровья (могут быть токсичными), экспосомику можно даже рассматривать как расширенную и модифицированную токсикологию. В любом случае деятельность по обеспечению химической безопасности, например «прогнозирование, выявление, анализ, оценка химических рисков» и «обеспечение государственной регистрации <…> потенциально опасных химических веществ» [12], относится к задачам как токсикологии, так и экспосомики.
Это предполагает, что химические аспекты экспосомики требуют дальнейшего эффективного развития. Предложены соответствующие химико-аналитические стратегии [13, 14]. Последние включают первоначально идентификацию биомаркеров и их определение методами хроматографии – масс-спектрометрии, часто на пределе чувствительности этих методов. Применение методологии нецелевого анализа [7, 15] представляется обязательным.
Один из результатов исследований в области экспосомики – создание баз данных (БД), содержащих информацию о биомаркерах, которые связаны с факторами влияния окружающей среды и соответствующим воздействием на здоровье человека. Краткая характеристика таких БД дана в табл. 1. Их можно использовать в дополнение к экспериментальным исследованиям химиков, обнаруживающим те или иные химические соединения в объектах окружающей среды и разнообразных биологических образцах.
Сведения, помещенные в эти БД (см. например рис. 3), способствуют правильной идентификации аналитов, оценке вероятности их присутствия в биообразцах, поиску путей их метаболизма и достижению других целей экспосомных исследований. В таких работах можно использовать и общехимические БД, хотя содержащаяся в них информация может быть избыточной (включать соединения, не относящиеся к экспосому, см. [17]).
Выводы
В качестве выводов сформулируем задачи, которые целесообразно решать химикам-аналитикам и другим специалистам в рамках экспосомных исследований, направленных, в конечном счете, на обеспечение химической безопасности и повышение эффективности здравоохранения.
1. Внедрение и/или усовершенствование аналитических методов с целью обнаружения, идентификации и определения широкого круга метаболитов/биомаркеров, относящихся к внутреннему экспосому.
2. Развитие информационной базы (библиотеки масс-спектров; сводки параметров хроматографического удерживания; программы, реализующие предсказание этих характеристик и др.), необходимой для надежной идентификации компонентов экспосома.
3. Широкое использование баз данных, содержащих биомедицинскую информацию, для генерации гипотез, связывающих те или иные заболевания или физиологические состояния с присутствием в организме обнаруженных химических соединений.
Литература
Заикин В. Г., Борисов Р. С. Масс-спектрометрия как важнейшая аналитическая основа ряда омиксных наук. Масс-спектрометрия. 2021; 18(1):4–31.
Wild C. P. The exposome: from concept to utility. Int. J. Epidemiol. 2012; 41(1):24–32.
Exposome and Exposomics. URL: https://www.cdc.gov/niosh/topics/exposome/default.html.
Zhang H., Hu H., Diller M., Hogan W. R., Prosperi M., Guo Y., et al. Semantic standards of external exposome data. Environ. Res. 2021; 197:111185.
Rappaport S. M. Biomarkers intersect with the exposome. Biomarkers. 2012; 17(6):483–489.
Vermeulen R., Schymanski E. L., Barabási A. L., Miller G. W. The exposome and health: Where chemistry meets biology. Science. 2020; 367(6476):392–396.
Milman B. L., Zhurkovich I. K. The chemical space for non-target analysis. Trends Anal. Chem. 2017; 97:179–187.
Zhang P., Carlsten C., Chaleckis R., Hanhineva K., Huang M., Isobe T., et al. Defining the scope of exposome studies and research needs from a multidisciplinary perspective. Environ. Sci. Technol. Lett. 2021; 8(10):839–852.
Bolon B., Haschek W. M. The Exposome in toxicologic pathology. Toxicol. Pathol. 2020; 48(6):718–720.
Barouki R., Audouze K., Becker C., Blaha L., Coumoul X., Karakitsios S., et al. The exposome and toxicology: a win–win collaboration. Toxicol. Sci. 2022; 186(1):1–11.
Wishart D., Arndt D., Pon A., Sajed T., Guo A. C., Djoumbou Y., et al. T3DB: the toxic exposome database. Nucleic Acids Res. 2015; 43(D1): D928-D934.
О химической безопасности в Российской Федерации: проект Федерального закона. URL: https://www.profiz.ru/upl/2021/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82%20%D0%9D%D0%9F%D0%90.pdf.
Vitale C. M., Price E. J., Miller G. W., David A., Antignac J. P., Barouki R., et al. Analytical strategies for chemical exposomics: exploring limits and feasibility. Exposome. 2021; 1(1): osab003.
Flasch M., Koellensperger G., Warth B. Comparing the sensitivity of low- and high-resolution mass spectrometry for xenobiotic trace analysis: An exposome-type case study. 2022. URL: https://chemrxiv.org/engage/chemrxiv/article-details/6287303a87d01f083beb903a.
Мильман Б. Л., Журкович И. К. Современная практика нецелевого химического анализа. Ж. аналит. хим. 2022; 77(5):412–426.
Barupal D. K., Fiehn O. Generating the blood exposome database using a comprehensive text mining and database fusion approach. Environ. Health Perspect. 2019; 127(9):097008.
Meijer J., Lamoree M., Hamers T., Antignac J.-P., Hutinet S., Debrauwer L.,
et al. An annotation database for chemicals of emerging concern in exposome research. Environ. Int. 2021; 152:106511.
Neveu V., Moussy A., Rouaix H., Wedekind R., Pon A., Knox C., et al. Exposome-Explorer: a manually-curated database on biomarkers of exposure to dietary and environmental factors. Nucleic Acids Res. 2017; 45(Database issue): D979–D984.
Barupal D. K., Mahajan P., Fakouri-Baygi S., Wright R. O., Arora M., Teitelbaum S. L. CCDB: A database for exploring inter-chemical correlations in metabolomics and exposomics datasets. Environ. Int. 2022; 164:107240.
References
Zaikin V. G., Borisov R. S. Mass spectrometry as the most important analytical basis of a number of omics sciences. Mass-Spectrometry. 2021; 18(1):4–31.
Wild C. P. The exposome: from concept to utility. Int. J. Epidemiol. 2012; 41(1):24–32.
Exposome and Exposomics. URL: https://www.cdc.gov/niosh/topics/exposome/default.html.
Zhang H., Hu H., Diller M., Hogan W. R., Prosperi M., Guo Y., et al. Semantic standards of external exposome data. Environ. Res. 2021; 197:111185.
Rappaport S. M. Biomarkers intersect with the exposome. Biomarkers. 2012; 17(6):483–489.
Vermeulen R., Schymanski E. L., Barabási A. L., Miller G. W. The exposome and health: Where chemistry meets biology. Science. 2020; 367(6476):392–396.
Milman B. L., Zhurkovich I. K. The chemical space for non-target analysis. Trends Anal. Chem. 2017; 97:179–187.
Zhang P., Carlsten C., Chaleckis R., Hanhineva K., Huang M., Isobe T., et al. Defining the scope of exposome studies and research needs from a multidisciplinary perspective. Environ. Sci. Technol. Lett. 2021; 8(10):839–852.
Bolon B., Haschek W. M. The Exposome in toxicologic pathology. Toxicol. Pathol. 2020; 48(6): 718–720.
Barouki R., Audouze K., Becker C., Blaha L., Coumoul X., Karakitsios S., et al. The exposome and toxicology: a win–win collaboration. Toxicol. Sci. 2022; 186(1):1–11.
Wishart D., Arndt D., Pon A., Sajed T., Guo A. C., Djoumbou Y., et al. T3DB: the toxic exposome database. Nucleic Acids Res. 2015; 43(D1): D928-D934.
On Chemical Safety in the Russian Federation: Draft Federal Law. URL: https://www.profiz.ru/upl/2021/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82%20%D0%9D%D0%9F%D0%90.pdf.
Vitale C. M., Price E. J., Miller G. W., David A., Antignac J. P., Barouki R., et al. Analytical strategies for chemical exposomics: exploring limits and feasibility. Exposome. 2021; 1(1): osab003.
Flasch M., Koellensperger G., Warth B. Comparing the sensitivity of low- and high-resolution mass spectrometry for xenobiotic trace analysis: An exposome-type case study. 2022. URL: https://chemrxiv.org/engage/chemrxiv/article-details/6287303a87d01f083beb903a.
Milman B. L., Zhurkovich I. K. Present-day practice of non-target chemical analysis. J. Anal. Chem. 2022; 77(5): 537–549.
Barupal D. K., Fiehn O. Generating the blood exposome database using a comprehensive text mining and database fusion approach. Environ. Health Perspect. 2019; 127(9):097008.
Meijer J., Lamoree M., Hamers T., Antignac J.-P., Hutinet S., Debrauwer L., et al. An annotation database for chemicals of emerging concern in exposome research. Environ. Int. 2021; 152:106511.
Neveu V., Moussy A., Rouaix H., Wedekind R., Pon A., Knox C., et al. Exposome-Explorer: a manually-curated database on biomarkers of exposure to dietary and environmental factors. Nucleic Acids Res. 2017; 45(Database issue): D979–D984.
Barupal D. K., Mahajan P., Fakouri-Baygi S., Wright R. O., Arora M., Teitelbaum S. L. CCDB: A database for exploring inter-chemical correlations in metabolomics and exposomics datasets. Environ. Int. 2022; 164:107240.
Статья поступила в редакцию 25.12.2022
Принята к публикации 14.01.2023