Συστημική μοντελοποίηση και ανάλυση μεγάλων δεδομένων για την αποκρυπτογράφηση μηχανισμών σε ανθρώπινες ασθένειες - Μεσσήνης, Δημήτρης (Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2018)
Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να αποκρυπτογραφήσει μηχανισμούς σε ανθρώπινες ασθένειες, και συγκεκριμένα στην Οστεοαρθρίτιδα, στην μετάφραση βιολογικών δεδομένων από τον αρουραίο στον άνθρωπο, στην Σκλήρυνση κατά πλάκας, στον καρκίνο του ήπατος, στην καρδιομυοπάθεια που προκαλείται από φάρμακα και στην μη αλκοολική λιπώδη νόσο του ήπατος (ΜΑΛΝΗ). Τα κύρια ευρήματα σχετικά με την κάθε ανθρώπινη πάθηση και εργασία περιγράφονται παρακάτω. Μέσω της έρευνας στην οστεοαρθρίτιδα αποδείχθηκε ότι τα υγιή χονδροκύτταρα μπορούν να έχουν ισχυρή φλεγμονώδη - και όχι προστατευτική - ανταπόκριση σε διάφορα ερεθίσματα. Με αυτό τον τρόπο, η δημιουργία ενός φλεγμονώδους περιβάλλοντος στην άρθρωση διατηρείται, επειδή ο χόνδρος είναι ένας ιστός χωρίς αγγεία, ο οποίος στερείται σημαντικών αντιφλεγμονωδών συστατικών του περιφερικού αίματος και αυτό μπορεί τελικά να οδηγήσει στην αποικοδόμηση του ιστού. Για πρώτη φορά εντοπίστηκαν τα συμβάντα σηματοδότησης που οδηγούν στην αύξηση των προ-φλεγμονωδών σημάτων κατά την διέγερση του TLR, αποκαλύπτοντας δύο σημαντικές φλεγμονώδεις οδούς: Το DEFB1 δίνει σήμα μέσω του υποδοχέα του προς RAC1, στα MAPKs και τελικά ενεργοποιεί το HSP27. Το Flagellin μεταδίδεται μέσω του TLR5 σε MYD88 και στη συνέχεια συγχωνεύεται με το μονοπάτι IL1 μέσω των IRAK, TIFA, TRAF6 και τελικά ενεργοποιεί τα σήματα IKB, MAPK14 και HSP27. Η διέγερση των χονδροκυττάρων με τους φλεγμονώδους μεσολαβητές IL1B και Flagellin οδηγεί επίσης σε υπερ-ενεργοποίηση των σχετικών με την ανάπτυξη σημάτων CREB και MAP2K1 και στην απελευθέρωση προ-αναπτυξιακών κυτοκινών, όλες συνδεδεμένες με την υπερτροφία των χονδροκυττάρων και την οστεογέννεση. Η ισχυρή ομοιότητα μεταξύ μηνίσκου και αρθρικού ιστού παρατηρήθηκε κατά την διέγερση αυτών των ιστών με διάφορα ερεθίσματα, υποστηρίζοντας την υπόθεση ότι υπάρχει σημαντική επικοινωνία μεταξύ αυτών των δύο διαμερισμάτων του γόνατος και οι αντιφλεγμονώδεις θεραπείες πρέπει να λαμβάνουν υπόψη και τους δύο ιστούς. Διεξήχθη μεταβολική ανάλυση ανθρώπινου οστεοαρθριτικού αρθρικού υγρού και εντοπίστηκαν μεταβολίτες που συνδέονται με οστεοαρθρίτιδα. Για το σκοπό της έρευνας ομοιοτήτων ανθρώπου / αρουραίου, δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων πολλαπλών στρωμάτων που περιλάμβανε δεδομένα phosphoproteomics, transcriptomics και cytokine release, προερχόμενα από φυσιολογικά βρογχικά επιθηλιακά κύτταρα ανθρώπου και αρουραίου τα οποία εκτέθηκαν παράλληλα σε περισσότερα από 50 διαφορετικά ερεθίσματα υπό πανομοιότυπες συνθήκες. Σημαντικές οδοί σηματοδότησης διατηρήθηκαν μεταξύ ειδών ανθρώπων και αρουραίων με αποκλίνοντα μόνο απομονωμένα συστατικά. Μια εξαίρεση ήταν οι στόχοι των μεταγραφικών παραγόντων, που φαινόταν πιο δύσκολο να προβλεφθούν. Ο παράγοντας μεταγραφής CREB1 έδειξε την πιο παρόμοια συμπεριφορά, αλλά η σύνδεση από το RSK1 ήταν παρούσα μόνο στο ανθρώπινο δίκτυο, γεγονός που μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι οι ανθρώπινες ισομορφές του RSK1 δεν είναι λειτουργικές (RSK2, RSK3, RSK4 ). Αντίθετα, αυτό πιθανότατα δεν συμβαίνει στους αρουραίους. Ο Zeniou et al. αναφέρει ότι τα γονίδια RSK1 και RSK3 του αρουραίου μπορεί να μην είναι σε θέση να αντισταθμίσουν πλήρως την έλλειψη λειτουργίας του RSK2. Δημιουργήθηκε ένα τεράστιο σύνολο δεδομένων για τη μελέτη της Σκλήρυνσης κατά πλάκας (MS). Απομώθηκαν PBMCs από 250 δότες (190 MS, 60 Υγιείς) και στη συνέχεια εκτέθηκαν σε 20 ερεθίσματα που συμπεριλάμβαναν 4 MS φάρμακα και μετρήθηκε η απόκριση 17 φωσφοπρωτεϊνών (5 'και 25') και 22 εκκρινόμενων κυτοκινών (24 ώρες). Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε τον χαρακτηρισμό των δικτύων σηματοδότησης με τρόπο συγκεκριμένο για τον κάθε ασθενή και την πρόβλεψη νέων στόχων για συνδυαστική θεραπεία για MS. Ο συνδυασμός fingolimod είτε με αναστολέα TAK1 είτε με EGCG επικυρώθηκε επίσης σε ένα ζωικό μοντέλο. Ανάλυση με χρήση 3 κυτταροσειρών 3 ηπατικού καρκίνου (HCC) παρουσίασε νέες μηχανιστικές αντιλήψεις για τις στοχευμένες αντιφλεγμονώδεις δράσεις τριών υποσχόμενων nutraceuticals, epigallocatechin gallate (EGCG), fisetin (FIS) και eryodictyol (ERI). Το EGCG ήταν ο πιο αποτελεσματικός διαμορφωτής της έκκρισης φλεγμονώδων κυτοκινών (που ακολουθείται από FIS και ERI) και τα κύτταρα HEP3B ήταν τα καλύτερα ανταποκρινόμενα. Παρά την προηγούμενη εκτενή βιβλιογραφία, αυτή ήταν η πρώτη μελέτη που δείχνει την εξαιρετική ικανότητα αυτής της ένωσης να μειώνει ταυτόχρονα ένα ευρύ φάσμα κυτοκινών που εκκρίνουν οι HCC. Με μια εφαρμογή στην καρδιομυοπάθεια που προκαλείται από φάρμακα, αποδείχθηκε ότι η κατασκευή συγκεκριμένων μονοπατιών σηματοδότησης μπορεί να συλλάβει υπολογιστικά τον τρόπο δράσης ενός φαρμάκου και να αυξήσει την ακρίβεια της πρόβλεψης της καρδιομυοπάθειας από 79% σε 88%, σε σύγκριση με τη χρήση μόνο των transcriptomic δεδομένων. Χρησιμοποιώντας Elastic Net, εντοπίστηκαν 33 πρωτεΐνες / γονίδια, που προβλέπουν καλύτερα την ταξινόμηση της τοξικότητας στην καρδιά προκαλούμενης από φάρμακα. Τα microRNAs που ρυθμίζουν την έκφραση των 6 κορυφαίων predictors είναι διαγνωστικής αξίας για φυσική καρδιακή ανεπάρκεια ή επαγόμενη από Doxorubicin καρδιομυοπάθεια. Μεταξύ αυτών, για τα miR193-3p και miR26b-5p που ρυθμίζουν 4 και 3 predictors αντίστοιχα, αξίζει να διεξαχθούν κλινικές μελέτες προκειμένου να καθοριστεί εάν αυτά τα microRNAs είναι χρήσιμα ως in vivo βιοδείκτες για καρδιομυοπάθεια που προκαλείται από φάρμακα. Παρατηρήθηκε ότι η ΜΑΛΝΗ έχει πολυπαραγοντική φύση και δεν υπάρχει ενιαία θεραπεία για όλους τους υποτύπους της, υπογραμμίζοντας την ανάγκη για συστηματική προσέγγιση και εξατομικευμένες θεραπευτικές παρεμβάσεις για την καλύτερη κατανόηση και θεραπεία της. Αυτή ήταν η πρώτη φορά που μια μελέτη στοχεύει στην κατανόηση της πολυπαραγοντικής φύσης της ΜΑΛΝΗ στο επίπεδο σηματοδότησης με τη μελέτη 5 μοντέλων επαγωγής ΜΑΛΝΗ σε πρωτογενή ανθρώπινα ηπατοκύτταρα. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ένα μεγάλο εύρος βιβλιογραφικών ευρημάτων για μηχανισμούς σηματοδότησης στην ΜΑΛΝΗ. Επιπλέον, οι CHK2 και EPOR έχουν αναδειχθεί ως πιθανά σημαντικά σήματα που μπορεί να είναι ενδιαφέρον να μελετηθούν περαιτέρω αφού είναι επίσης σημαντικοί παράγοντες στην αναγέννηση του ήπατος.