VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Медицина будущего. Генетика
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Общество движется вперёд семимильными шагами, что также способствует развитию медицинских технологий. Если попытаться заглянуть в ближайшее будущее, перед нами предстанет мир новых продвинутых технологий, которые ещё вчера сложно было даже вообразить.
Персонификация.
Идея персонификации, т.е. понимание необходимости индивидуального подхода к каждому пациенту, существовала с самого начала развития медицины. Еще Гиппократ говорил, что нужно «давать разные лекарства разным пациентам; то, что хорошо для одного, может не быть полезным для другого». Эта мысль в различных формах проходит через все развитие медицины, подчеркивая необходимость «лечить не болезнь, а больного», давать пациенту «правильное, то есть нужное именно ему лекарство в правильных дозах». Для этого врачи вплоть до последнего десятилетия ориентировались помимо основного диагноза на единственно доступные индивидуальные характеристики пациентов, такие как возраст, масса тела, сопутствующие заболевания, биохимические показатели, семейный анамнез, позволяющий оценить риск наследственной заболеваемости. В течение курса лечения прослеживали его эффективность для каждого пациента, т.е. осуществляли мониторинг на основании доступных клинических, а впоследствии и лабораторных критериев с возможной коррекцией путем эмпирических попыток изменения схем лечения. Описанный подход — клинический мониторинг — широко распространен на практике и в настоящее время. Персонифицированную медицину определяют как «быстро развивающуюся область здравоохранения, основанную на интегрированном, координированном и индивидуальном для каждого пациента подходе к анализу возникновения и течения заболевания» Персонифицированная медицина «интегрирует индивидуальную генетическую и другую информацию для предупреждения и лечения комплексных нарушений на основе наблюдений.
Цель.
Цель персонифицированной медицины состоит в том, чтобы «найти подходящую схему лечения, для конкретного заболевания у конкретного больного в соответствии с его индивидуальными данными»
Исходя из поставленной цели необходимо решение определенных задач:
Тотальное определение последовательностей ДНК каждого гражданина (пациента)
Создание базы данных аннотированных последовательностей с привязкой к конкретным генам и их фенотипическим проявлениям (геномика);
Определение уровня и природы модификаций определенных участков геномов, ответственных за экспрессию отдельных генов (эпигеномика)
Определение уровня синтеза РНК, отдельных генов (транскриптомика)
Определение состояние белков, ответственных за фенотипические проявления (протеомика)
Выяснение различных заболеваний, которыми отдельные пациенты болели в течение жизни
Определение реакции пациента на предлагаемую схему лечения
Выяснение индивидуальных особенностей метаболизма различных процессов в организме человека по их конечным продуктам (метаболомика)
Необходимость этого абсолютно нового подхода в медицине обусловлена тем, что традиционные, создаваемые для лечения конкретных заболеваний лекарственные препараты, оказываются неэффективными для 30–60% пациентов наряду с высокой частотой возникновения побочных эффектов. Решающим шагом в создании отрасли персонифицированной медицины стала расшифровка генома человека. Разработка методов определения нуклеотидных последовательностей стала приоритетной задачей молекулярной биологии ДНК сразу после определения генетического кода и определения, что именно эта молекула несет основную информацию о всех функциональных проявлениях любого организма. Первые эксперименты с рекомбинантными ДНК подхлестнули развитие технологий, связанных с определением последовательности нуклеотидов. Первые методические попытки были сделаны в конце семидесятых в начале восьмидесятых годов, которые получили высокую оценку научного сообщества. За разработку методов ручного определения нуклеотидных последовательностей (секвинирования) коротких участков ДНК Уолтеру Гильберту и Фредерику Сенгеру была присуждена Нобелевская премия 1980 года по химии «за вклад в определение последовательности оснований в нуклеиновых кислотах». Другая половина премии была вручена Полу Бергу за первые эксперименты по генной инженерии. Работа этих трех ученых «принесла уже пользу человечеству, – сказал в своей речи при презентации член Шведской королевской академии наук Бо Г. Мальстрем, – не только в виде новых фундаментальных знаний, но также в виде такого важного технического решения, как производство человеческих гормонов с помощью бактерий». Несколько позже началась гонка по созданию инструментов механического секвинирования с наращиванием длины анализируемых участков ДНК, скорости проведения анализа и удешевления процесса определения последовательности нуклеотидов ДНК и РНК. Анализ полного генома отдельных людей на 2001 г. казался дорогостоящим (примерно 300 тыс. долларов США), и поэтому прикладные медицинские перспективы такой информации казались делом отдаленного будущего. Однако развитие технологий происходило скачкообразно, и сейчас стоимость расшифровки генома приближается к 1 тыс. американских долларов, а в ближайшем будущем упадет до нескольких десятков долларов.
Появилась возможность получать научную информацию об нуклеотидных последовательностях и индивидуальных особенностях конкретного пациента, что позволяет определять характер возникновения и течения заболевания, а также реакцию на определенные виды лечения.
Широкие возможности геномного секвенирования, ДНК и РНК, позволили американскому Национальному институту здоровья объявить в 2011 г. о новом геномном проекте, который обеспечит ускорение внедрения достижений геномики в практическую медицину. Ранее исследования отдельных генов и локусов также создали существенные предпосылки для персонификации. Основным результатом этого этапа было выявление мутаций, сопряженных с теми или иными заболеваниями. Анализ ДНК соматических клеток позволит определять историю иммунных ответов конкретного организма, и, следовательно, выяснять всю историю болезней в течение жизни. Сбор геномных данных по всему миру и выяснение связи роли отдельных генов в различных состояниях организма, а также широкое использование интернета позволит в недалеком будущем создать базу данных для каждого жителя Земли. Необходимо отметить, что большинство перспективных исследований в области персонифицированной медицины будут основаны также на развитии постгеномных технологий — эпигеномики, транскриптомики, протеомики и метаболомики.
Отдельным направлением индивидуальных геномных исследований является эпигеномика, позволяющая исследовать модификацию, в частности, метилирование ДНК, т.е. присоединение метильной группы к цитозину, под действием ДНК-метилтрансферазы. При изменении модификации ДНК в районах промоторов, крайне важных для выражения отдельных генов, участков ДНК возможно изменения в сотни раз как в сторону увеличения, так и подавления синтеза отдельных белков. Структура промоторного участка, расположенного перед геном, определяет эффективность синтеза РНК и в конечном итоге уровень синтеза отдельных белков. Например, показано гипометилирование ДНК в онкогенах некоторых опухолей наряду с гиперметилированием генов-супрессоров. Изменения метилирования ДНК наблюдали также при сахарном диабете 2-го типа, при сердечно-сосудистых и аутоиммунных заболеваниях. Наибольшее число работ по определению персонифицированных геномных характеристик связано с онкологией. Отмечается, что геномный «молекулярный профиль» биоптата опухоли является уникальной характеристикой опухоли конкретного больного, поскольку он отражает помимо мутаций в генах, участвующих в трансформации клеток, также и дополнительные случайные мутации в самых разных генах.
Одним из первых применений геномики в онкологии была работа по анализу единичных нуклеотидных полиморфизмов для уточнения классификации отдельных видов лейкозов у больных, способствующая выбору индивидуальной терапии для больных с внешне близкими клиническими признаками болезни.
Высокозначимым для персонифицированного подхода к лечению оказалось применение геномных подходов для решения вопросов, связанных с пересадкой почек. Идентифицированы также особенности экспрессии генов в тромбоцитах периферической крови, которые статистически сопряжены с повышенным риском коронарной болезни сердца. По данным мультицентровых клинических испытаний, диагностический тест на основании этих данных повышает точность диагноза на 16–20%, что дает возможность своевременного проведения соответствующей терапии.
В современной медицине клиническая диагностика, в частности инструментальная, как, например, различные виды томографии, является существенно более персонифицированной и направленной на контакт клинициста с каждым конкретным пациентом, чем лабораторные методы исследования. Обычно лабораторные тесты рассматривают одну или несколько групп, очень разнородных клинически, и вводят жесткие критерии «отсечения» для того или иного биомаркера (характеристика (биологический признак), которая используется в качестве индикатора состояния всего организма).
Параллельно с исследованием эпигеномики развивается транскриптомика, т.е. инвентаризация РНК с помощью технологий микрочипов и высокопроизводительного секвенирования нуклеиновых кислот. Для диагностики и мониторинга лечения ряда заболеваний предложены подходы определения уровня синтеза РНК, который всецело зависит от состояния промоторных областей. Это позволяет, например, дифференцировать отдельные виды рака и их подтипы, требующие разных схем терапии. Имеются сообщения о применении подходов транскриптомики к ряду других заболеваний: сердечно-сосудистых, ревматических, неврологических и др.
Интенсивно развивающимся подходом персонифицированной медицины является использование протеомики. Для поиска критериев разграничения между состоянием здоровья и болезнью протеомика должна определить полный набор белков, ассоциированных с конкретным физиологическим или патологическим состоянием. Именно протеомику рассматривают как приоритетную область для выявления биомаркеров. Растущий интерес к протеомике объясняют тем, что информация о последовательностях ДНК дает только статичный моментальный снимок различных путей, которые может использовать клетка, в то время как жизнь клетки представляет собой динамический процесс, в более полной степени отражаемый ее белковым набором. Методы, используемые в протеомике, интенсивно развиваются. Все подобные исследования находятся в соответствии с начатой в сентябре 2010 г. работой по проекту «Протеом человека» (Протеом—совокупность белков организма, производимых клеткой, тканью или организмом в определённый период времени.), согласно которому планируется создание протеомной карты, включающей все белки, кодируемые геномом человека. Первоочередные задачи проекта: составление протеомных карт основных белков плазмы крови, печени, головного мозга. Для целей персонифицированной медицины в этом плане возлагаются большие надежды на получение данных, связанных с протеомом крови, с учетом индивидуальных изменений в норме и при развитии патологии. Наряду с выявлением белковых маркеров в плазме крови предполагается возможность осуществления персонифицированной клинической диагностики на основании общего белкового профиля. Среди протеомных методов, перспективных для персонифицированной медицины, следует отметить белковые биочипы, на которых иммобилизованы связывающие белки — антигены, антитела, ферменты, масс-спектрометрическую визуализацию тканей человека, или имиджинг. На сегодняшний день практическое использование протеомики для персонифицированной медицины считают в большей степени делом будущего, возможно, ближайших нескольких лет. В то же время нельзя не отметить, что если в первом обзоре на эту тему от 2004 г. речь шла преимущественно лишь о перспективах протеомики, то в последующие годы стали появляться сообщения о конкретных особенностях протеома при патологических состояниях. Так, например, продемонстрированы вариации протеома ткани опухоли больных с астроцитомой — белков клеточных филаментов и белков теплового шока. Обнаружены некоторые изменения экспрессии белков при лечении диабета; получен белковый микрочип для количественного анализа активности фактора XIII свертывания крови в плазме человека; найден предполагаемый биомаркер для выявления синовиальной саркомы. Отмечается перспективность протеомных подходов в педиатрии, и некоторые др..
Вместо использования белковых биомаркеров, которые изменяют свою концентрацию в крови при патологии, но присутствуют в существенном количестве и в норме, современная протеомика предоставляет принцип «цифровой» диагностики, основанной на поиске биомаркеров по принципу присутствия (1) или отсутствия (0) в образцах больных или контрольных субъектов. Такой анализ, подобный применяемому в геномике при поиске клинически значимых мутаций, в т.ч. точечных, окажется более специфичным по сравнению с предшествующими методами. Белковые маркеры нового типа заведомо находятся в крови пациента в более низких концентрациях, чем традиционные, поэтому новый подход сопряжен с технологиями сверхчувствительного детектирования белков в биологических жидкостях в концентрациях до 10–18 моль/л. Кандидаты в цифровые биомаркеры представляют собой ключевые белки протеома, содержащие связанные с заболеваниями модификации: например, единичный аминокислотный полиморфизм (SAP), результаты альтернативного сплайсинга, природные посттрансляционные модификации (PTM) и транслируемые участки слияния вследствие хромосомных аберраций. Предпосылки для указанного подхода созданы в ряде исследований, демонстрирующих возможности протеомной идентификации и оценки связи некоторых модифицированных белков с заболеваниями. Так, посредством направленной масс-спектрометрии проводили количественный анализ пептидов с SAP, ассоциированными с развитием сахарного диабета и ожирения. Кроме того, разработана стратегия поиска методами протеомики новых и известных вариантов сплайсинга белков, ассоциированных с возникновением рака поджелудочной и молочной железы. Такие подходы могут адаптироваться для анализа плазмы крови, других опухолей и клеточных линий.
Определение низкомолекулярных продуктов различного происхождения определяют как отдельную область персонифицированной медицины в диагностике — метаболомику. Метаболом человека содержит более 5000 низкомолекулярных метаболитов. Некоторые из них могут быть индикаторами патологических состояний. Их детектируют преимущественно с помощью масс-спектрометрии и иногда путем ядерно-магнитного резонанса. Метаболические маркеры значительно лучше, чем белки, подлежат оценке путем количественной масс-спектрометрии. Установлен ряд изменений метаболома при ишемии, диабете, нейродегенеративных болезнях, злокачественных опухолях, в частности при раке предстательной железы.
В связи с переходом от больших групп пациентов к более раздробленным по различным критериям, а в идеале — к персонифицированному подходу, большое значение приобретают биобанки (криобанки биологического материала). Особый интерес представляют научные программы, где в биобанк депонируются образцы доступных биологических жидкостей от одного индивида в разные периоды его жизни. В таком случае имеется уникальная возможность использовать для диагностики в качестве контроля собственный биологический материал, полученный ранее. Таким образом, будут сняты проблемы наблюдаемых у людей межиндивидуальных колебаний уровня биомаркеров и других белков плазмы крови или мочи. В настоящее время создание биобанков в сочетании с регистрами пациентов рассматривается как основной путь к проведению трансляционных исследований по внедрению фундаментальных знаний в практическую медицину. Технически более простые банки плазмы крови, препаратов ДНК, а также требующие более сложного оснащения и стандартных операционных процедур банки тканей позволяют проводить исследования для поиска новых диагностических и прогностических маркеров заболеваний, разделения нозологических форм на молекулярные субтипы, молекулярно-эпидемиологические исследования, в т.ч. по ретроспективному принципу, учитывающему исход болезни. Особое значение имеют криобанки стволовых клеток, которые используют для персонифицированной клеточной терапии. Методы, используемые в метаболомике, технически близки применяемому в фармакологии терапевтическому лекарственному мониторингу. Понятие о терапевтическом лекарственном мониторинге возникло на основании наблюдений о разном ответе пациентов на одно и то же лечение с целью выбора правильной индивидуальной дозировки лекарства и снижения риска его побочных эффектов. Фактически именно с терапевтического лекарственного мониторинга и началась практика персонифицированной медицины, возникшей как самостоятельное направление в медицине. В настоящее время рекомендовано проведение терапевтического лекарственного мониторинга для ряда препаратов, включая цитостатики, аминогликозидные антибиотики, противосудорожные средства и др. Основными показаниями для разработки метода терапевтического лекарственного мониторинга является наличие данных о связи концентрации лекарственного средства в плазме крови и фармакологического эффекта, а также узкое терапевтическое «окно» препарата, т.е. небольшой интервал между минимальной эффективной и минимальной токсической дозой и концентрацией лекарства в плазме.
Конкретные примеры тестов терапевтического лекарственного мониторинга, проводимых для оптимизации лекарственной терапии, исчисляются сотнями. Целесообразным считают проведение терапевтического лекарственного мониторинга при лечении эпилепсии хорошо известными препаратами (карбамазепин, фенитоин, вальпроат) и препаратами нового поколения. Мониторинг используется также в психиатрии: к примеру, в некоторых случаях для лечения шизофрении оланзапином, а также при использовании препаратов лития для контроля их токсичности. При назначении аминогликозидов в некоторых случаях, в частности у новорожденных, показан контроль их концентрации в плазме крови. В последнее время методы терапевтического лекарственного мониторинга интенсивно внедряют в терапию туберкулеза, а также применяют для контроля концентрации и эффективности иммуносупрессоров — ингибиторов белка mTOR, например, сиролимуса.
Таким образом, развитие новых технологий, позволяющих использовать геномику, эпигеномику, транскриптомику, протеомику и метаболомику, позволяет предположить, что в ближайшем будущем медицина перейдет к персонифицированной медицине, т.е. к разработке подходящей схемы лечения для конкретного заболевания у конкретного больного в соответствии с его индивидуальными особенностями.