Rijksoverheidslogo
Nationaal Kenniscentrum Alternatieven voor dierproeven

Genomics technologieën

In het eerste decennium van deze eeuw zijn de omics technologieen ontwikkeld. Deze worden gezien als technologieën die grote invloed hebben op onderzoek in zijn algemeenheid en dierproeven in het bijzonder.

High throughput onderzoek naar genetisch materiaal van levende organismen

Genomics technologieën zijn gebaseerd op de toepassing van high throughput moleculair biologische technieken die het mogelijk maken complexe processen op het kleinst mogelijke functionele en moleculaire niveau te bestuderen en in kaart brengen. In het bijzonder kan daarbij gedacht worden aan processen op het niveau van genen of eiwitten. In dit verband wordt vaak het begrip genomics gebruikt. In algemene zin wordt onder Genomics verstaan: de studie naar genetisch materiaal van levende organismen en hoe informatie in dit genetisch materiaal wordt vertaald naar het functioneren in de cel, weefsels, organen en organismen binnen populaties, soorten en tussen soorten in hun omgeving. In zijn meest beperkte definitie is genomics de bestudering van de functies van het genoom zelf en de interactie tussen de genen van het genoom (epistasis). Daarmee verschilt genomics van de genetica waarin de functie van een enkel gen centraal staat.

De vertaling van genetische informatie naar functies van cel, organisme en weefsels vindt plaats op verschillende niveaus: genomics in engere zin (focus op het gen), transcriptomics (de bestudering van mRNA in de cel dat duidt op een bepaalde transcriptie van het genoom), proteomics (de vertaling van het genoom naar eiwitten in de cel en de bestudering van de functies van deze eiwitten) of metabolomics/metabonomics (de vorming van chemische fingerprints van metabolieten die duiden op bepaalde cellulaire processen).

Toepassingsgebieden

Het genomics onderzoek kent inmiddels vele toepassingen, waaronder:

-binnen het fundamenteel onderzoek om cellulaire processen in kaart te brengen en cellulair mechanistisch onderzoek te doen;

-binnen het medisch onderzoek voor de diagnostiek en voor de bestudering van pathofysiologische processen;

-binnen de microbiologie om de interactie tussen micro-organisme en gastheer te bestuderen;

-binnen het farmacologisch onderzoek met betrekking tot de interactie tussen (potentiële) geneesmiddelen en cellulaire processen;

-binnen het toxicologisch onderzoek om mechanismen achter toxiciteit vast te stellen of om vroege biomarkers voor toxiciteit te identificeren;

-binnen de gedragsbiologie om inzicht te krijgen in de biologische oorsprong van bepaald gedrag.

Genomics

Genomics technologieën en de 3V

Genomics technologie kan zorgen voor verfijning, vermindering en vervanging van dierproeven:

Verfijning

Genomics bieden de mogelijkheid tot identificatie van vroege biomarkers en bijbehorend de vroege beëindiging van dierproeven, nog voordat ziekteverschijnselen zich aandienen. Een belangrijke ontwikkeling in het kader van humane eindpunten. Ook zijn genomics gevoelig genoeg om de effecten van een microdosering op te pikken. Ten slotte kan middels genomics mechanistische informatie worden verkregen over pijn(perceptie) bij proefdieren. Een verhoging van het ongerief als gevolg van verdere ontwikkeling van de nieuwe genomics technologieen is theoretisch echter ook mogelijk door het initiëren van meer (belastend) onderzoek.

Vermindering:

Genomics kunnen op verschillende manieren bijdragen aan een reductie in het proefdiergebruik. Door een gerichte selectie van het meest relevante diermodel (comparative genomics) voor een specifieke onderzoeksvraag. Als screeningsmethode in een tiered testing approach. En bij de identificatie van vroege en gevoelige biomarkers. Daarnaast kan door genomics verkregen informatie overwerkingsmechanismen bijdragen aan een verbeterde experimentele opzet en de mogelijkheid het aantal dieren per groep te verminderen. Ten slotte kan het onder bepaalde omstandigheden mogelijk zijn om het dier als zijn eigen controle te gebruiken, waardoor controlegroepen verminderd kunnen worden.

Vervanging

Genomics zijn technologieën en geen onderzoeksmodellen. Genomics op zichzelf kunnen dan ook geen dierproef vervangen. Maar in combinatie met in vitro methoden kunnen genomics het belang van deze in vitro modellen voor het onderzoek wel aanzienlijk verhogen. Door (cellulaire) mechanismen zichtbaar te maken en zodoende de extrapolatie van in vitro naar in vivo een breder fundament te geven. De relevantie van de in vitro modellen zou met behulp van genomics nog verder verbeterd kunnen worden door gebruik te maken van stamcellen of menselijke weefsels. Een andere optie voor vervanging kan liggen in het gebruik van genomics in preklinisch onderzoek in combinatie met microdosering in de mens. Effecten van stoffen in de mens zouden hierbij gemeten kunnen worden op genexpressieniveau.

Technische aspecten

Een belangrijk hulpmiddel binnen het genomics onderzoek zijn microarray technieken. Microarrays zijn kleine plaatjes (siliconen chips of glasplaatjes) waarop genetisch materiaal (DNA) kan worden gehecht. Door middel van moleculair biologische technieken en kleuringmethoden wordt zichtbaar welke genen zijn geactiveerd of juist ge-down-reguleerd. Deze techniek heeft vele toepassingen.

Binnen het diagnostisch onderzoek kunnen microarrays worden gebruikt voor de typering van een tumor door DNA of RNA van het tumorweefsel te vergelijken met referentie-DNA in een tumor biobank. Eén van de eerste toepassingen op dit gebied was een microarray voor de diagnostiek van bepaalde borsttumoren door het NKI.

Meer informatie

-Hause RJ, Kim HD, Leung KK, Jones RB (2011). Targeted protein-omic methods are bridging the gap between proteomic and hypothesis-driven protein analysis approaches. Expert Rev Proteomics. 8(5):565-75.

-van Vliet MH, Horlings HM, van de Vijver MJ, Reinders MJ, Wessels LF (2012). Integration of clinical and gene expression data has a synergetic effect on predicting breast cancer outcome. PLoS One. 2012;7(7):e40358. Epub 2012 Jul 11

Proteomics en metabolomics/metabonomics

Bij de eerste staat ofwel het identificeren en kwantificeren van cellulaire eiwitten centraal (structural proteomics), ofwel het verkrijgen van inzicht in de functies van deze eiwitten (functional proteomics). Bij metabolomics/metabonomics gaat het om het verkrijgen van inzicht in de gevormde metabolieten. Technieken die hiervoor gebruikt worden zijn gel electroforese, modificaties van SDS-PAGE, en massa spectroscopie.

Bioinformatica

De complexiteit van cellulaire systemen is enorm. De klassieke hypothese dat een gen door een enkel RNA wordt overgeschreven en dat dit RNA een enkel eiwit maakt is achterhaald. Het gaat om tientallen tot honderden eiwitten, die in verschillende cellulaire pathways ook weer verschillende functies kunnen hebben. Bioinformatica is dus onmisbaar in het omgaan met de enorme hoeveelheid data over het genoom, de transcriptie, en de functie en samenstelling van de eiwitten en metabolieten. Alleen op die manier kunnen statistische verbanden worden gelegd, bijvoorbeeld tussen behandeling en omics resultaten.

Bron: Rapport wetenschappelijke trendanalyse 2009

.