Metabolomiikka psykoositutkimuksessa

Transkriptio

1 Jaana Suvisaari ja Matej Orešič KATSAUS Metabolomiikka psykoositutkimuksessa Metabolomiikka on menetelmä, jolla tutkitaan kokonaisvaltaisesti pienimolekyylisten metaboliittien rakennetta, toimintaa ja yhteisvaikutuksia. Menetelmä antaa hetkellisen kokonaiskuvan elimistön aineenvaihdunnasta. Aineenvaihdunnan häiriöiden tutkimisella pyritään sairauden etiologian ymmärtämiseen, hoidon vaikutusten tutkimiseen sekä sairauden kulun ja hoitovasteen ennustamisessa käyttökelpoisten biologisten merkkiaineiden tunnistamiseen. Psykoosisairauksista etenkin skitsofreniaan liittyy huomattavia glukoosi-, aminohappo-, lipidi- ja energia-aineenvaihdunnan muutoksia. Näistä muutoksista vain osa liittyy itse sairausprosessiin, osa selittyy lääkehoidon vaikutuksella ja elintavoilla. Aineenvaihdunnan häiriöiden syiden ymmärtämiseksi tarvitaan sairausprosessin varhaisvaiheessa aloitettavia pitkittäistutkimuksia, joissa kartoitetaan huolellisesti sairauden kliiniset piirteet, elintavat ja muut metaboliaan vaikuttavat tekijät, kuten suolistomikrobisto. Näin voidaan parantaa tulosten toistettavuutta ja sairausprosessiin liittyvien muutosten erottamista ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta. Solun aineenvaihdunta eli metabolia muodostuu biokemiallisista reaktioista, joissa solut hajottavat ulkopuolelta saamiaan tai solussa varastoimiaan aineita ja käyttävät niistä saamaansa energiaa ja hajotuksessa muodostuneita yhdisteitä uusien molekyylien valmistamiseen. Ihmiselimistön metabolomi on kaikkien aineenvaihduntatuotteiden kokonaisuus (Orešič ym. 2007). Omiikka-pääte viittaa tutkimusmenetelmiin, joissa tiettyä ilmiötä tarkastellaan kokonaisvaltaisesti ja usein ilman ennakkohypoteesia (Mäkelä ja Porkka 2002). Metabolomiikka on omiikka-aikakauden uusimpia tulokkaita. Se on menetelmä, jolla tutkitaan pienimolekyylisten metaboliittien rakennetta, toimintaa ja yhteisvaikutuksia (Orešič ym. 2007). Tällaisia metaboliitteja ovat esimerkiksi lipidit, aminohapot, rasvahapot, steroidit, sokerit ja muut suhteellisen pienet molekyylit. Metabolomiikka antaa hetkellisen kokonaiskuvan aineenvaihdunnan tilasta, ja siksi sen yhteys tutkittavaan ominaisuuteen saattaa olla vahvempi kuin esimerkiksi geenien rakenteen tai ilmentymisen. Geenin rakenne ei kerro koko totuutta kyseisen geenin toiminnasta, koska geenien ilmentymiseen vaikuttavat monet tekijät eikä geenien ilmentyminenkään vielä täysin paljasta, kuinka paljon itse proteiinia syntetisoidaan. Toisaalta esimerkiksi seerumin metabolomiin, aineenvaihduntatuotteiden kokonaisuuteen, vaikuttavat monet ulkoiset tekijät, kuten ravitsemus ja suolistomikrobien aineenvaihduntatuotteet. Aineenvaihdunnan tutkimisella pyritään sairauden etiologian ymmärtämiseen, hoidon vaikutusten tutkimiseen sekä sairauden kulun ja hoitovasteen ennustamisessa käyttökelpoisten biomarkkerien eli biologisten merkkiaineiden tunnistamiseen (Orešič ym. 2007, Patti ym. 2012). Metabolomiikkamenetelmiä on tutkimuksissa käytetty psykoosien tutkimiseen. Tässä artikkelissa käytetty määritysmenetelmiin liittyvä terminologia esitetään TAULUKOSSA. Määritysmenetelmät Metabolomisessa tutkimuksessa näytteen sisältämät metaboliitit profiloidaan käyttämällä erilaisia analyyttisiä tekniikoita, kuten neste- tai kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan. Toinen yleisesti käytetty menetelmä on magneettispektroskopia, joka ei kuitenkaan tunnista yksittäisiä molekyylejä 2237 Duodecim 2013;129:

2 KATSAUS TAULUKKO. Artikkelin keskeistä terminologiaa. Termi Olemme tutkineet psykoosisairauksiin liittyviä aineenvaihdunnallisia piirteitä kahdessa suomalaisessa väestöpohjaisessa tutkimusaineistossa. Psykoosit Suomessa -tutkimus on Terveys tutkimukseen perustuva väestötutkimus psykoosien esiintyvyydestä Suomessa. Vuosina toteutettuun Terveys tutkimukseen kutsuttiin osallistumaan satunnaisesti valittua, 30 vuotta täyttänyttä suomalaista. Psykoottisten oireiden seulontaan käytettiin haastattelutietoja ja terveydenhuollon rekisteritietoja. Psykoosioireista kärsineet sekä satunnaisotos muista tutkimukseen osallistuneista kutsuttiin tarkempaan mielenterveyshaastatteluun. Mielenterveyshäiriöt diagnosoitiin DSM-IVjärjestelmän diagnostisia kriteereitä käyttäen ja potilaskertomustietoihinkin perehdyttiin diagnoosien varmistamiseksi (Suvisaari ym. 2012). Valitsimme metabolomiseen ja lipidomiseen tutkimukseen ne psykoosidiagnoosin saaneet henkilöt, joilta oli saatavissa 80 C:ssa säilytetyt seeruminäytteet sekä heille valitut iän, sukupuolen ja asuinpaikan suhteen kaltaistetut verrokit. Kummassakin ryhmässä oli 139 henkilöä. Psykoosiryhmässä oli 45 skitsofreniadiagnoosin saanutta, 57 muun kuin mieli alaoireisen psykoosin diagnoosin saanutta ja 37:n diagnoosina oli mieli alaoireinen psykoosi. Aineistolle tehtiin metabolominen kartoitus kaasukromatografiaa ja massa spektro- Bioinformatiikka Biomarkkeri Biologinen merkkiaine, esimerkiksi veritai kudosnäytteestä mitattavissa oleva molekyyli, jota voidaan käyttää tautien seulonnassa, diagnosoinnissa, hoitovasteen ennakoinnissa ja uusimisen havaitsemisessa Kromatografia Lipidomiikka Magneettispektroskopia Massaspektrometria Metabolomi Eliön tai solun aineenvaihdunnan kokonaisuus Metabolomiikka Metaboliitti 2238 Määritelmä Tietojenkäsittelytieteessä, matematiikassa ja tilastotieteessä kehiteltyjen menetelmien soveltamista biologisiin, erityisesti molekyylitason ongelmiin Menetelmä erilaisten yhdisteiden erottamiseksi, puhdistamiseksi ja määrittämiseksi liikkuvan ja kiinteän faasin avulla. Liikkuva faasi voi olla neste tai kaasu. Tietyn kohteen, kuten solun tai seerumin, kaikkien lipidien eli rasvojen ja rasvamaisten yhdisteiden kokonaisvaltainen kartoitus Analyysimenetelmä, jossa molekyylien tunnistaminen perustuu niiden ydinmagneettiseen resonanssiin Erotus- ja tunnistusmenetelmä, jonka avulla voidaan määrittää yhdisteen rakenne ja sen kemiallinen koostumus Menetelmä, jolla tutkitaan kokonaisvaltaisesti tietyn kohteen, kuten solun tai seerumin, pienimolekyylisten metaboliittien rakennetta, toimintaa ja yhteisvaikutuksia Aineenvaihduntatuote; aineenvaihdunnassa syntynyt yhdiste, josta usein edelleen syntyy muita yhdisteitä yhtä tarkasti kuin massaspektrometria (Orešič ym. 2007). Analyyseja voidaan tehdä globaalisti, jolloin pyritään kartoittamaan kaikkien aineenvaihduntatuotteiden profiili, tai kohdennetusti tietyn tyyppisiin molekyyleihin tai aineenvaihduntapolkuihin (KUVA) (Orešič 2009). Lipidomiikka on metabolomiikan osa-alue. Siinä kohteena ovat lipidit, jotka ovat tärkeitä muun muassa solukalvojen rakenneosina, energiavarastoina ja viestimolekyyleinä. Plasman molekyyleistä valtaosa on erilaisia lipidejä. Neste- tai kaasukromatografiaan ja massaspektrometriaan perustuvat lipidomiikkamenetelmät mahdollistavat satojen erilaisten lipidien mittaamisen. Usein voidaan määrittää myös kunkin lipidin rasvahappojen laatu (Orešič ym. 2007, Quehenberger ja Dennis 2011). Metabolomisen ja lipidomisen kartoituksen tulokset yhdistetään bioinformatiikan avulla kliinisiin tietoihin sekä muihin saatavilla oleviin tietoihin esimerkiksi geeneistä, proteiineista ja tutkittavan ilmiön ilmiasusta (oireista ja löydöksistä). Bioinformatiikan avulla voidaan luoda malleja ja karttoja mahdollisista yhteyksistä esimerkiksi erilaisten kliinisten piirteiden, geenien ja metaboliittien välillä. Psykoosisairauksien metabolomiset ja lipidomiset muutokset suomalaisissa väestötutkimuksissa J. Suvisaari ja M. Orešič

3 A Näytteet Tutkittavien metaboliittien luettelo B Näytteet Erottaminen ja puhdistus Erottaminen ja puhdistus Metaboliittitietokanta Kromatografia ja massaspektrometria Kromatografia ja massaspektrometria Piikkien tunnistaminen ja pitoisuuksien määritys Piikkien tunnistaminen ja suhteellisten osuuksien normalisaatio Metaboliittien tunnistaminen Tutkittavien metaboliittien pitoisuus Metaboliittien suhteellisten osuuksien pitoisuus Kohdennettu määritys Globaali määritys KUVA. Metabolominen analyysi voidaan tehdä kohdennetusti tai globaalisti. A) Kohdennetussa analyysissä tarkastellaan vain tiettyä tunnettua aineenvaihduntareittiä ja reitin kaikkien metaboliittien pitoisuus määritetään tarkasti. B) Globaalissa analyysissa määritetään satoja metaboliitteja ja tutkitaan erityyppisten metaboliittien profiilia, eikä kaikkia analysoituja metaboliitteja pyritä tunnistamaan tarkasti. metriaa käyttäen sekä lipidominen kartoitus nestekromatografiaa ja massaspektrometriaa käyttäen (Orešič ym. 2011). Havaitsimme, että skitsofreniaan liittyy aineenvaihdunnallisia poikkeavuuksia, joita muissa psykooseissa ei todettu. Muun muassa useiden haaraketjuisten ja aromaattisten aminohappojen sekä proliinin pitoisuudet olivat skitsofreniaa sairastavilla suuremmat kuin muita psykooseja sairastavilla ja verrokeilla. Glutamaattipitoisuus oli kaikilla psykoosia sairastavilla suurempi kuin verrokeilla. Anaero biseen energiantuottoon liittyvien metaboliittien, kuten pyruvaatin ja laktaatin, pitoisuudet olivat skitsofreniaa sairastavilla myös muita ryhmiä suuremmat, ja toisaalta tiettyjen metaboliittien, kuten β-hydroksibutyraatin, pitoisuudet olivat skitsofreniaa sairastavilla vähentyneet. Lipidilöydöksistä keskeisin oli se, että sekä lyhyt- että pitkäketjuisten asyyliglyserolien eli triglyseridien pitoisuus oli suurentunut skitsofreniaa mutta ei muita psykooseja sairastavilla. Vaikka myös ylipainoisuus, diabetes ja metabolinen oireyhtymä sekä psykoosilääkityksen käyttö vaikuttivat moniin havaituista muutoksista, niiden vakioiminen ei poistanut skitsofrenian yhteyttä aineenvaihdunnallisiin muutoksiin. Tulos säilyi samankaltaisena, kun poistimme aineistosta kaikki diabetesta sairastavat. Verkostomallissa insuliini oli keskeisin tekijä, johon monet aineenvaihdunnan muutoksista olivat kytkeytyneet (Orešič ym. 2011). Toisessa tutkimuksessamme verrattiin suomalaisessa kaksosaineistossa skitsofreniaan sairastuneita kaksosia (n = 19) heidän terveisiin kaksossisaruksiinsa (n = 19) ja terveisiin verrokkikaksosiin (n = 34). Kaksosille oli 2239 Metabolomiikka psykoositutkimuksessa

4 KATSAUS 2240 tehty diagnostinen haastattelu, ja heidän aivojensa rakenteesta (magneettikuvaus) sekä kognitiivisista toiminnoistaan oli käytettävissä tietoja, joita oli tutkittu laajan tutkimuspatterin avulla. Seeruminäytteistä tutkittiin lipidiprofiili, jota verrattiin eri ryhmien välillä. Tutkimme lipidi löydösten yhteyttä aivojen rakenteellisiin ja toiminnallisiin muutoksiin. Lisäksi tutkittavilta määritettiin plasman glukoosi- ja seerumin insuliinipitoisuus, ja näiden perusteella määritettiin insuliiniresistenssi HOMAindeksiä käyttäen (Orešič ym. 2012). Havaitsimme Psykoosit Suomessa -tutkimusaineiston löydösten kanssa yhtäpitävästi, että lyhyt- ja pitkäketjuisten asyyliglyseridien pitoisuus seerumissa oli skitsofreniaa sairastavilla kaksosilla suurentunut (Orešič ym ja 2012). Heillä todettiin myös pienentynyt seerumin lysofosfolipidipitoisuus, joka oli yhteydessä sekä kognitiiviseen suoriutumiseen erityisesti nopeutta vaativissa tehtävissä että harmaan aineen vähenemiseen. Skitsofreniaa sairastavilla todettiin myös insuliiniresistenssi useammin kuin heidän sisaruksillaan tai verrokeilla (Orešič ym. 2012). Molempien edellä kuvattujen tutkimusten rajoituksena oli, että tutkimukseen osallistuneet henkilöt olivat jo suhteellisen pitkään sairastaneita. Vaikka tulosten analysoinnissa huomioitiin psykoosilääkityksen, elintapojen ja liitännäissairauksien vaikutus, niiden pitkittäisvaikutuksia ei pystytä täysin huomioimaan pelkästään tilastollisin menetelmin. Psykoosisairauksien metabolomiset ja lipidomiset muutokset kliinisissä potilasaineistoissa Kansainväliset tutkimukset, joissa on tutkittu psykooseihin liittyviä aineenvaihdunnan muutoksia metabolomiikan menetelmillä, on tehty kliinisissä, vaihtelevin kriteerein valituissa potilasaineistoissa. Tutkimuksissa käytetyt analyysimenetelmät vaihtelevat. Useimmissa on valittu pieni joukko metaboliitteja tarkemman analyysin kohteeksi, mutta valintakriteerit ovat vaihdelleet. Tämän vuoksi esitämme tärkeimpien tutkimusten tulokset seuraavassa tutkimuskohtaisesti. Yang ym. (2013) tekivät metabolomisen kartoituksen skitsofreniaa sairasta vien ja verrokkien veri- ja virtsanäytteistä. Heidän havaintojensa mukaan viiden metaboliitin glyseraatin, eikoseenihapon, β-hydroksi butyraatin, pyruvaatin ja kystiinin pitoisuudet erosivat skitsofreniaa sairastavilla erityisen paljon verrokkeihin nähden. Havaintojen perusteella muodostettu ennustemalli pystyi erottelemaan ryhmät tarkasti. Toisessa tutkimuksessa keskityttiin niihin aineenvaihduntamuutoksiin, joihin psykoosilääkkeillä ei ollut vaikutusta. Tässä tutkimuksessa havaittiin merkittäviä eroja skitsofreniaa sairastavien ja verrokkien välillä erityisesti useissa aminohappo pitoisuuksissa (He ym. 2012). Monissa tutkimuksissa on keskitytty yksittäisiin aineenvaihduntapolkuihin. Merkittäviä muutoksia on havaittu muun muassa puriiniaineenvaihdunnassa ja tryptofaanin aineenvaihdunnassa (Yao ym. 2010a ja b). Kaddurah-Daoukin tutkimusryhmä havaitsi skitsofreniaa sairastavilla, ennen tutkimusta vähintään kolme viikkoa ilman lääkitystä olleilla potilailla, että fosfatidyylietanoliamiinilipidien, erityisesti plasmalogeenien, pitoisuus plasmassa on vähentynyt. Plasmalogeenit ovat lipidejä, joita esiintyy erityisen runsaasti keskushermostossa. Psykoosilääkityksen aloittamisella oli merkittävä vaikutus plasman lipidipitoisuuksiin. Olantsapiini ja risperidoni suurensivat plasman fosfatidyylietanoliamiini- ja fosfolipidipitoisuuksia sekä pienensivät vapaiden rasvahappojen pitoisuuksia. Olantsapiini lisäsi myös plasman triglyseridipitoisuuksia. Aripipratsoli lisäsi fosfatidyylietanoliamiinien pitoisuuksia. Nämä muutokset havaittiin kolme viikkoa lääkehoidon aloittamisen jälkeen otetuista näytteistä (Kaddurah-Daouk ym. 2007). Toisessa tutkimuksessaan sama tutkimusryhmä keskittyi pelkästään plasmalogeeneissa havaittaviin muutoksiin. Plasmalogeenit ovat fosfolipidejä, joita esiintyy yleisesti solukalvoissa ja erityisen runsaasti aivoissa. Niiden pitoisuus seerumissa on aikaisemmissa tutkimuksissa ollut pienentynyt muun muassa Alzheimerin tautia sairastavilla. Tutkimuksessa oli mukana ensipsykoosiin sairastuneita, jotka eivät olleet koskaan käyttäneet psykoosi- J. Suvisaari ja M. Orešič

5 lääkitystä sekä pidempään skitsofreniaa sairastaneita, jotka olivat keskeyttäneet lääkehoidon vähintään kahdeksi viikoksi ennen näytteenottoa. Molemmissa ryhmissä havaittiin pienentynyt plasmalogeenipitoisuus verrokkiryhmään nähden. (Kaddurah-Daouk ym. 2012). Pohdinta Skitsofreniaan ja muihin psykooseihin liittyviä aineenvaihdunnan muutoksia on toki tutkittu muillakin kuin metabolomiikan menetelmillä. Yhtenä keskeisimmistä löydöksistä on ollut glukoosiaineenvaihdunnan muutos (Harris ym. 2013). Skitsofreniaa sairastavilla on muuhun väestöön verrattuna viisinkertainen riski sairastua aikuistyypin diabetekseen (Suvisaari ym. 2008). Äidin tyypin 2 diabetes lisää lapsen riskiä sairastua skitsofreniaan (Wegelius ym. 2011). Ensipsykoosiin sairastuneilla on merkkejä insuliiniresistenssistä jo ennen lääkehoidon alkua (Harris ym. 2013). Seerumin insuliinipitoisuus on usein suurentunut ja paastorasituksessa todetaan heikentynyt glukoosin sieto. Plasman paastoglukoosiarvo on yleensä normaali, sen sijaan aivo-selkäydinnesteessä on havaittu suurempi glukoosi- ja matalampi laktaattipitoisuus kuin verrokeilla. Onkin esitetty, että yksi skitsofreniaan keskeisesti liittyvä muutos on häiriö aivojen kyvyssä hyödyntää glukoosia energialähteenä, ja tämä liittyisi insuliiniviestinnän häiriöihin (Harris ym. 2013). Sekä Yangin ym. (2013) että omat havaintomme aminohappojen pitoisuuksista viittaavat myös glukoosiaineenvaihdunnan häiriöihin (Orešič ym. 2011). Ne aminohapot, joiden pitoisuudet olivat skitsofreniaa sairastavilla erityisesti kohonneet, olivat samoja, jotka Framingham Heart Studyssä ennustivat diabeteksen kehittymistä (Wang ym. 2011). Proliinipitoisuuden suurentuminen liittynee pikemminkin oksidatiiviseen stressiin (Phang ym. 2010), joka sekin on skitsofreniaan liitettyjä patologisia muutoksia (Yao ja Reddy 2011). He ym. (2012) havaitsivat usean muun aminohapon pitoisuuden pienenemisen skitsofreniaa sairastavilla, joten kaiken kaikkiaan aminohappojen aineenvaihdunta on skitsofreniaa sairastavilla häiriintynyt. YDINASIAT 88Metabolomiikka on menetelmä, jolla tutkitaan kokonaisvaltaisesti pienimolekyylisten metaboliittien rakennetta, toimintaa ja yhteisvaikutuksia ja joka antaa hetkellisen kokonaiskuvan elimistön aineenvaihdunnasta. 88Ihmisen metabolomiin eli aineenvaihduntatuotteiden kokonaisuuteen vaikuttavat perimän lisäksi monet ympäristötekijät, kuten lääkitys, ruokavalio, elintavat ja suolistomikrobit. 88Skitsofreniaan liittyy enemmän aineenvaihdunnan muutoksia kuin muihin psykoosisairauksiin. 88Skitsofreniaa sairastavilla on todettu muutoksia glukoosi-, aminohappo-, lipidi- ja energia-aineenvaihdunnassa. 8 8 Tarvitaan pitkittäistutkimuksia, jotta voitaisiin selvittää, mitkä aineenvaihdunnan muutoksista liittyvät itse sairausprosessiin ja mitkä ovat lääkehoidon, elintapojen tai muiden ympäristötekijöiden aiheuttamia. Skitsofreniaan näyttäisi liittyvän monenlaisia häiriöitä lipidiaineenvaihdunnassa. Yksi niistä on laaja-alainen triglyseridipitoisuuksien suureneminen. Psykooseja ja erityisesti skitsofreniaa sairastavilla on nimenomaan suuri keskivartalolihavuuden riski, ja keskivartalolihavuus puolestaan on vahvimmin yhteydessä metaboliseen oireyhtymään ja diabetesriskiin (Saarni ym. 2009). Triglyseridiaineenvaihdunnan häiriöt heijastanevat tätä alttiutta. Varhaisia lipidiaineenvaihdunnan häiriöitä psykoosiin sairastumisen yhteydessä on tutkittu melko vähän. On kuitenkin esitetty, että prosessissa on yhteisiä piirteitä lihavuuden kehittymisen varhaisvaiheiden kanssa (Orešič 2012). Kaddurah-Dauokin ryhmän psykoosilääkityksen lipidivaikutuksiin liittyvät löydökset tukevat viimeaikaisia tutkimuksia, joissa on todettu, että psykoosilääkkeet vaikuttavat voimakkaasti lipidiaineenvaihduntaa säätelevien geenien ilmentymiseen ja entsyymien toimintaan (Polymeropoulos ym. 2009, Canfrán-Du Metabolomiikka psykoositutkimuksessa

6 KATSAUS 2242 gue ym. 2013, Skrede ym. 2013). Kiinnostava kysymys on, ovatko nämä vaikutukset pelkästään lääkityksen haittavaikutuksia vai välittyykö myös lääkkeiden antipsykoottinen vaikutus osittain lipidiaineenvaihdunnan muutosten kautta. Solukalvot muodostuvat lipideistä, ja on esitetty, että skitsofreniaan liittyy solukalvorakenteen muuttumista (du Bois ym. 2005). Monet havaituista lipidimuutoksista liittyvät solukalvojen rakenteen kannalta keskeisiin lipideihin (Kaddurah-Daouk ym. 2012, Orešič ym. 2012). Valkean aineen myeliini koostuu myös enimmäkseen lipideistä. Skitsofreniaan ja muihin psykooseihin liittyy valkean aineen rakenteellisia muutoksia (Ellison-Wright ja Bullmore 2009), mutta myeliinin lipidikoostumuksen muutoksia on toistaiseksi tutkittu vähän. Yhden tutkimuksen mukaan skitsofreniaa sairastavien valkean aineen fosfolipidi- ja keramidipitoisuus on pienentynyt (Schwarz ym. 2008). Korrelaatiota valkean aineen rakennemuutosten ja seerumin lipidimuutosten välillä ei ole tutkittu. Lipidimuutosten merkitystä solukalvojen rakenteen ja aivojen rakenteellisten muutosten kannalta onkin syytä tutkia tarkemmin. Haasteet Ravitsemus vaikuttaa huomattavasti seerumin metabolomiin. Esimerkiksi säännöllinen kalaöljyn käyttö muuttaa seerumin lipidiprofiilia suotuisaan suuntaan jo muutaman viikon käytön jälkeen (Ottestad ym. 2012). Psykoosilääkitys vaikuttaa aineenvaihduntaan (Kaddurah- Daouk ym. 2007, Polymeropoulos ym. 2009). Usein ajatellaan, että ympäristötekijöiden vaikutus voidaan sulkea pois tutkimalla ensipsykoosipotilaita ennen psykoosilääkityksen aloittamista. Psykooseihin liittyy kuitenkin pitkä esioirevaihe, ja viive psykoosioireiden alkamisesta hoitoon hakeutumiseen on monilla kuukausien, jopa vuosien pituinen ( Jeppesen ym. 2008). Pitkään hoitamaton psykoosi on yhteydessä aivojen aineenvaihdunnassa havaittuihin muutoksiin (Théberge ym. 2004). Monien potilaiden kyky huolehtia itsestään ja ravitsemuksestaan on ennen hoidon alkua heikentynyt. Akuutti psykoosi itsessään on äärimmäinen stressitilanne. Osa ensipsykoosiin liitetyistä aineenvaihdunnan muutoksista saattaa selittyä näillä tekijöillä, ja siksi psykoosilääkityksen aloittamiseen yhdistetyt muutokset saattavatkin osin selittyä ravitsemustilan korjaantumisella ja oireisiin liittyneen stressin lievittymisellä. Muullakin lääkehoidolla kuin psykoosilääkityksellä on aineenvaihdunnallisia vaikutuksia. Esimerkiksi masennuslääkitys vaikuttaa moniin aineenvaihduntapolkuihin ( Ji ym. 2011, Webhofer ym. 2013). Näiden lääkitysten aineenvaihdunnallisia vaikutuksia ei tutkimuksissa ole huomioitu, vaikka niiden käyttö ensipsykoosin esioirevaiheessa ja skitsofreniaryhmän psykoosien hoidossa on tavallista. Aineenvaihdunnan tutkiminen seerumi- tai virtsanäytteistä on ymmärrettävää. Jos halutaan tunnistaa biomarkkereita, jotka auttaisivat kliinisessä työssä, näytteiden tulisi olla otettavissa helposti osana rutiinitoimintaa. Tarvitaan kuitenkin huomattavasti lisätutkimusta, jotta voidaan päätellä, mitä eri aineenvaihduntatuotteiden pitoisuudet seerumissa kertovat eri solujen aineenvaihdunnasta. Erityisesti tarvitaan lisätietoa siitä, mitkä keskushermoston aineenvaihduntatuotteet merkittävästi läpäisevät veri-aivoesteen, ja kuvaavatko ne hermo- vai gliasolujen toimintaa. Samoin tarvitaan lisätietoa siitä, missä määrin psykoosisairaudet ovat systeemisairauksia eli kuinka paljon muualla elimistössä havaittavat häiriöt heijastavat keskushermoston toiminnan häiriöitä. Aineenvaihduntapolkujen tutkimisessa seerumin metabolomin perusteella on merkittäviä ongelmia. Saman aineenvaihduntapolun eri metaboliitit saattavat siirtyä soluista seerumiin eri todennäköisyyksillä. Ravitsemus ja esimerkiksi paaston kesto ennen näytteen ottoa saattavat vaikuttaa hyvin eri tavoin saman aineenvaihduntapolun eri metaboliitteihin (Fleming ym. 1989). Osa seerumin metabolomista heijastaa muiden kuin ihmissolujen aineenvaihduntaa. Merkittävä osa esimerkiksi lyhytketjuisista rasvahapoista on suolistomikrobien hajottamia metaboliitteja, jotka ovat imeytyneet veren- J. Suvisaari ja M. Orešič

7 kiertoon. Nämä aineenvaihduntatuotteet ovat terveyden kannalta merkittäviä, ja suolistomikrobien muutokset saattavatkin myötävaikuttaa esimerkiksi lihavuuden ja insuliiniresistenssin kehittymiseen (Tremaroli ja Bäckhed 2012). Siksi tutkittaessa psykooseihin liittyviä metabolomin muutoksia on tärkeää selvittää myös, mikä merkitys suolistomikrobeilla saattaisi olla havaituissa muutoksissa. Metabolomiin vaikuttavat sekä monet ympäristötekijät että vahvasti myös perimä. Suomalainen perimänlaajuinen assosiaatiotutkimus osoitti, että monien metaboliittien taustalla on vahvempi perinnöllinen komponentti kuin esimerkiksi eri lipoproteiinien, kuten HDL- ja LDL-kolesterolin, pitoisuuksien taustalla on havaittu olevan (Kettunen ym. 2012). Metabolomia voikin pitää myös yksilön ominaispiirteenä, johon perimä ympäristön ohella vahvasti vaikuttaa. Lopuksi Psykoosit ja erityisesti skitsofrenia ovat toisaalta aivosairauksia, joihin liittyy ilmeisesti jo sikiökehityksen aikana alkava aivojen kehityksen häiriintyminen, joka kiihtyy sairauden esioirevaiheessa (Insel 2010), ja toisaalta systeemisairauksia, joihin liittyy esimerkiksi glukoosi- ja lipidiaineenvaihdunnan häiriöitä ja tulehduksellisia muutoksia (Harris ym. 2013). Sairauksien patofysiologiaa ei vuosikymmenten tutkimustyöstä huolimatta tunneta. Uudet laaja-alaiset tutkimusmenetelmät voivat tuoda uusia ajatuksia tutkimukseen ja keksintöjä kliinisen työn tueksi. Muissa sairauksissa kokonaisvaltainen metabolomin tutkiminen on tuottanut täysin uutta tietoa sairauksien syntymekanismeista. Esimerkiksi tyypin 1 diabeteksen taustalla vaikuttaisi olevan hyvin varhainen aineenvaihdunnan häiriintyminen, joka edeltää autovasta-aineiden kehittymistä (Orešič ym ja 2013). Menetelmä onkin lupaava uusi työkalu psykoositutkimukseen. Erityisesti jo sairauden varhaisvaiheessa aloitettavia pitkittäistutkimuksia tarvitaan sen selvittämiseksi, miten ensipsykoosissa havaittavat aineenvaihdunnan muutokset kehittyvät ja miten ne ovat yhteydessä samanaikaisesti kehittyviin aivojen rakenteellisiin muutoksiin. Keskeistä on, että sairauden kliinisten piirteiden lisäksi myös elintavat kartoitetaan huolellisesti. Tämä parantaa tulosten toistettavuutta ja auttaa erottamaan psykoosin patofysiologiaan liittyvät muutokset elintapojen ja lääkityksen vaikutuksesta. JAANA SUVISAARI, LT, psykiatrian erikoislääkäri, tutkimusprofessori Terveyden ja hyvinvoinnin laitos (THL), mielenterveys ja päihdepalvelut -osasto, Helsinki MATEJ OREŠIČ, FT, tutkimusprofessori VTT, kvantitatiivinen biologia ja bioinformatiikka Espoo SIDONNAISUUDET Jaana Suvisaari: Asiantuntijapalkkio (Janssen-Cilag), luentopalkkio (AstraZeneca) Matej Orešič: Luentopalkkio (Lundbeck) Summary Metabolomics in psychosis research Metabolomics is utilized for comprehensive investigations on the structure, function and interactions of low molecular weight metabolites. The method provides a momentary overall picture of metabolism in the organ system. Investigations into metabolic disturbances aim at understanding the etiology of the disease, studying the effects of therapy, as well as identifying biological marker substances applicable to the prediction of the course of the disease and treatment response. Among psychotic disorders, schizophrenia is in particular associated with significant changes in the metabolism of glucose, amino acids, lipids and energy. Of these changes only some are related to the disease process itself, while some are explained by the effect of drug therapy and habits of life Metabolomiikka psykoositutkimuksessa

8 KATSAUS KIRJALLISUUTTA Canfrán-Duque A, Casado ME, Pastor O, ym. Atypical antipsychotics alter cholesterol and fatty acid metabolism in vitro. J Lipid Res 2013;54: du Bois TM, Deng C, Huang XF. Membrane phospholipid composition, alterations in neurotransmitter systems and schizophrenia. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry 2005;29: Ellison-Wright I, Bullmore E. Metaanalysis of diffusion tensor imaging studies in schizophrenia. Schizophr Res 2009;108:3 10. Fleming GA, Granger A, Rogers QR, Prosser M, Ford DB, Phang JM. Fluctuations in plasma pyrroline-5-carboxylate concentrations during feeding and fasting. J Clin Endocrinol Metab 1989; 69: Harris LW, Guest PC, Wayland MT, ym. Schizophrenia: metabolic aspects of aetiology, diagnosis and future treatment strategies. Psychoneuroendocrinology 2013;38: He Y, Yu Z, Giegling I, ym. Schizophrenia shows a unique metabolomics signature in plasma. Transl Psychiatry 2012;2:e149. Insel TR. Rethinking schizophrenia. Nature 2010;468: Jeppesen P, Petersen L, Thorup A, ym. The association between pre-morbid adjustment, duration of untreated psychosis and outcome in first-episode psychosis. Psychol Med 2008;38: Ji Y, Hebbring S, Zhu H, ym. Glycine and a glycine dehydrogenase (GLDC) SNP as citalopram/escitalopram response biomarkers in depression: pharmacometabolomics-informed pharmacogenomics. Clin Pharmacol Ther 2011;89: Kaddurah-Daouk R, McEvoy J, Baillie RA, ym. Metabolomic mapping of atypical antipsychotic effects in schizophrenia. Mol Psychiatry 2007;12: Kaddurah-Daouk R, McEvoy J, Baillie R, ym. Impaired plasmalogens in patients with schizophrenia. Psychiatry Res 2012; 198: Kettunen J, Tukiainen T, Sarin AP, ym. Genome-wide association study identifies multiple loci influencing human serum metabolite levels. Nat Genet 2012;44: Mäkelä T, Porkka K. Omiikat tulevat yksi geeni ei enää riitä. Duodecim 2002;118: Orešič M. Metabolomics, a novel tool for studies of nutrition, metabolism and lipid dysfunction. Nutr Metab Cardiovasc Dis 2009;19: Orešič M. Obesity and psychotic disorders: uncovering common mechanisms through metabolomics. Dis Model Mech 2012;5: Orešič M, Seppänen-Laakso T, Sun D, ym. Phospholipids and insulin resistance in psychosis: a lipidomics study of twin pairs discordant for schizophrenia, Genome Med 2012;4,e1. Orešič M, Simell S, Sysi-Aho M, ym. Dysregulation of lipid and amino acid metabolism precedes islet autoimmunity in children who later progress to type 1 diabetes. J Exp Med 2008;205: Orešič M, Tang J, Seppänen-Laakso T, ym. Metabolome in schizophrenia and other psychotic disorders: a general population-based study. Genome Med 2011;3:19. Orešič M, Gopalacharyulu P, Mykkänen J, ym. Cord serum lipidome in prediction of islet autoimmunity and type 1 diabetes. Diabetes 2013;62: Ottestad I, Hassani S, Borge GI, ym. Fish oil supplementation alters the plasma lipidomic profile and increases long-chain PUFAs of phospholipids and triglycerides in healthy subjects. PLoS One 2012;7:e Patti GJ, Yanes O, Siuzdak G. Innovation: Metabolomics: the apogee of the omics trilogy. Nat Rev Mol Cell Biol 2012; 13: Phang JM, Liu W, Zabirnyk O. Proline metabolism and microenvironmental stress. Annu Rev Nutr 2010;30: Polymeropoulos MH, Licamele L, Volpi S, ym. Common effect of antipsychotics on the biosynthesis and regulation of fatty acids and cholesterol supports a key role of lipid homeostasis in schizophrenia. Schizophr Res 2009;108: Quehenberger O, Dennis EA. The human plasma lipidome. N Engl J Med 2011;365: Saarni SE, Saarni SI, Fogelholm M, ym. Body composition in psychotic disorders: a general population survey. Psychol Med 2009;39: Schwarz E, Prabakaran S, Whitfield P, ym. High throughput lipidomic profiling of schizophrenia and bipolar disorder brain tissue reveals alterations of free fatty acids, phosphatidylcholines, and ceramides. J Proteome Res 2008;7: Skrede S, Steen VM, Fernø J. Antipsychotic-induced increase in lipid biosynthesis: activation through inhibition? J Lipid Res 2013;54: Suvisaari J, Perälä J, Saarni SI, ym. Type 2 diabetes among persons with schizophrenia and other psychotic disorders in a general population survey. Eur Arch Psychiatry Clin Neurosci 2008; 258: Suvisaari J, Perälä J, Viertiö S, ym. Psykoosien esiintyvyys ja alueellinen vaihtelu Suomessa. Suom Lääkäril 2012; 67: Théberge J, Al-Semaan Y, Drost DJ, ym. Duration of untreated psychosis vs. N-acetylaspartate and choline in first episode schizophrenia: a 1H magnetic resonance spectroscopy study at 4.0 Tesla. Psychiatry Res 2004;131: Tremaroli V, Bäckhed F. Functional interactions between the gut microbiota and host metabolism. Nature 2012; 489: Wang TJ, Larson MG, Vasan RS, ym. Metabolite profiles and the risk of developing diabetes. Nat Med 2011;17: Webhofer C, Gormanns P, Reckow S, ym. Proteomic and metabolomic profiling reveals time-dependent changes in hippocampal metabolism upon paroxetine treatment and biomarker candidates. J Psychiatr Res 2013;47: Wegelius A, Tuulio-Henriksson A, Pankakoski M, ym. An association between high birth weight and schizophrenia in a Finnish schizophrenia study sample. Psychiatry Res 2011;190: Yang J, Chen T, Sun L, ym. Potential metabolite markers of schizophrenia. Mol Psychiatry 2013;18: Yao JK, Dougherty GG Jr, Reddy RD, ym. Altered interactions of tryptophan metabolites in first-episode neurolepticnaive patients with schizophrenia. Mol Psychiatry 2010(b);15: Yao JK, Dougherty GG Jr, Reddy RD, ym. Homeostatic imbalance of purine catabolism in first-episode neurolepticnaïve patients with schizophrenia. PLoS One 2010(a);5:e9508. Yao JK, Reddy R. Oxidative stress in schizophrenia: pathogenetic and therapeutic implications. Antioxid Redox Signal 2011;15: J. Suvisaari ja M. Orešič