Towards understanding organ-derived metabolic signatures in blood

Abstract

In the global effort of translating systems biology research into clinical applicability, metabolomics harbors great potential for blood-based medical diagnostics. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) is a popular platform for metabolomics and aims at the identification and quantification of metabolites in biological samples of interest. This dissertation describes efforts that span a wide spectrum of systems biology and concludes with the first promising steps of its translation into the clinically relevant context of systems medicine. It was aimed at understanding how the physiological states of organ metabolism are reflected in the blood metabolome through the dynamic monitoring of a hypometabolic state in mice and an exercise regime in a human volunteer. These biological investigations were made possible by method and extensive software development. A novel software package named SILVIA that provides functions for faster and more complete processing of GC- MS data is presented. It allowed for the in-depth analysis of a metabolically dynamic process in liver, muscle, white adipose tissue, cerebrospinal fluid, and blood serum. Daily torpor, the process under investigation, is a hypometabolic state similar to hibernation and is employed by small rodents to conserve energy during times of low food availability. It is characterized by precipitous drops in metabolic rate, core body temperature, heart rate, blood pressure, and breathing rate. The discovery of mechanisms that control the entry into, maintenance of, and arousal from hypometabolic states are of importance to many medical issues of our time, including, but not being limited to, ischemia and reperfusion injury as well as other trauma injuries, autoimmune diseases, and cancer. In addition to novel findings of hepatic gluconeogenesis and changes in amino acid metabolism during torpor, as well as a contribution of glycolysis to torpor arousal, the data were able to confirm a metabolic suppression during torpor entry in both liver and muscle. Importantly, by monitoring both organs and blood serum metabolomes simultaneously, it was possible to attain a rudimentary first glance at how organ physiology is reflected in blood, and translate mechanistic insight gained in mice to the human blood metabolome. A combination of a fast, simple, and minimally invasive 5 blood sampling method with GC-MS technology was developed and employed in a proof-of-principle study of a human volunteer undergoing an exercise regime. With the additional establishment of a method for robust absolute quantification by use of internal isotopologue standards, blood metabolomics in human patients to categorize disease phenotypes and provide diagnostic insights in a clinical setting might soon be within reach.

Als Teil globaler Bemühungen, systembiologische Forschung in den klinischen Anwendungsbereich zu übersetzen, birgt die Metabolomforschung großes Potential für die blutbasierte medizinische Diagnostik. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die Gas Chromatographie-Massen Spektrometrie (GC-MS), mit deren Hilfe Metabolite identifiziert und quantifiziert werden können. Diese Dissertation beschreibt umfassende Bemühungen auf verschiedenen Ebenen der systembiologischen Forschung und liefert Ansätze für deren Übersetzung in den Kontext der systemmedizinischen Verwendung. Ziel dieser Arbeit war es, durch die dynamische Nachverfolgung experimentell veränderter physiologischer Zustände (Torpor in Mäusen, sportliche Belastung in Menschen), die Zusammenhänge zwischen metabolischen Abläufen in den Organen und der Zusammensetzung des Blutmetaboloms zu verstehen. Ermöglicht wurden diese Studien durch methodische und informatische Neuentwicklungen. Um eine schnellere und vollkommene Prozessierung von GC‑MS Daten zu gewährleisten, wurde die Software SILVIA speziell entwickelt. Durch sie war erstmals die detaillierte Analyse eines metabolisch dynamischen Prozesses in der Leber, Muskulatur, dem Fettgewebe, Cerebrospinalfluid, und Blutserum möglich. Der an Mäusen untersuchte, als Torpor bekannte Prozess ähnelt dem Winterschlaf. Dieser hypometabolische Zustand ermöglicht es kleinen Säugetieren, Energie in Zeiten geringer Futtervorkommen einzusparen. Er ist durch extremes Abnehmen der metabolischen Rate, Körpertemperatur, Herzfrequenz, Atmungsfrequenz, und des Blutdrucks charakterisiert. Mechanismen die dem Eintritt, der Aufrechterhaltung, und des Verlassens des Torpors zugrunde liegen, könnten bedeutsam sein für die medizinische Behandlung einer Vielzahl menschlicher Leiden wie Ischämie, Reperfusions- und Traumaschäden, und Autoimmun- und Krebserkrankungen. Neben der Entdeckung aktiver hepatischer Glukoneogenese und Veränderungen der Aminosäurehomöostase im tiefen Torpor, sowie aktiver Glykolyse während des Erwachens, konnten die Daten eine bereits beschriebene Hemmung des Leber- und Muskelstoffwechsels im Torporeintritt bestätigen. Durch zeitgleiches Erfassen von Organ- und Blutmetabolomen war es möglich, sowohl ein erstes rudimentäres Verständnis für die Reflektion physiologischer Zustände der Organe im Blut zu erlangen, als auch in der Mausstudie gewonnenes mechanistisches Verständnis auf den Menschen zu übertragen. Dank der Verknüpfung der uns verfügbaren GC-MS Technologie mit einer schnellen, simplen und minimalinvasiven Methode der Blutentnahme am Menschen wurde an einem Volontär eine Machbarkeitsstudie durchgeführt, in der die physiologische Reaktion auf eine sportliche Belastung im Blutmetabolom erfasst wurde.https://mail.google.com/mail/u/0/images/cleardot.gif Mit der Etablierung einer weiteren Methode, die eine robuste absolute Quantifizierung durch Verwendung messungsinterner isotopologischer Standards erlaubt, ist der Traum von klinisch anwendbarer metabolomischer Blutdiagnostik nun in greifbarer Nähe.