Тесты, использующие секвенирование всего генома, могут предоставить информацию для диагностики многих редких генетических заболеваний. Они являются важным элементом современной диагностики и лечения рака. Персонализированная медицина основана на подборе эффективного препарата на основе анализа всего генома пациента. Именно гены говорят нам, как эффективно лечить пациента и каких лекарств следует избегать, потому что они не только не будут работать, но и могут быть даже токсичными.
На этой теме специализируются ученые из познанского научного стартапа MNM Diagnostics. Совместное предприятие объединило выдающихся специалистов, энтузиастов, преданных своему делу и миссии. Основатели компании имеют научную работу в Оксфордском университете, а их команда состоит из людей с многолетним опытом, полученным за границей, в том числе в престижных университетах Кембриджа, Бергена и Джорджтауна.
Тайны нашего генома
MNM Diagnostics специализируется на диагностике онкологии на основе анализа всего генома. Это один из первых центров в мире, где можно проводить такие комплексные и современные исследования, к тому же они доступны каждому онкологическому больному. В чем уникальность этого решения?
Во-первых, объем проанализированных данных. MNM ученые не анализируют несколько генов или даже все наши гены. Анализируют сразу весь геном человека и его рак, а это огромный объем данных.
Геном - это совокупность генетической информации, содержащейся во всех клетках данного организма. Эта информация записывается на специальный носитель - ДНК. Каждая молекула ДНК состоит из миллиардов маленьких строительных блоков, называемых нуклеотидами. Именно определенный порядок нуклеотидов несет актуальную информацию, необходимую для правильного функционирования клеток организма. Чтение точной последовательности всех нуклеотидов в ДНК данного организма называется секвенированием всего генома. Интересно, что лишь немногим более 1% генома кодирует информацию о структуре конкретных белков. Это означает, что только около 1% нашего генома - это гены!
Функции других 99% геномные последовательности долгие годы оставались неизвестными, а некоторые ученые даже считали некодирующие последовательности бесполезными. Крайне вводящий в заблуждение термин «мусорная ДНК» был придуман для описания того, чего мы просто не понимали. Только недавно было показано, что многие из этих последовательностей играют ключевую роль в регуляции всего генетического механизма.
Проверьте свой риск развития рака. Купить пакет диагностических тестов для женщин
Изучить выбранный ген, несколько генов или весь геном?
Полногеномное секвенирование (WGS) для диагностических целей до сих пор остается абстрактным для значительной части медицинского сообщества. Это скорее элемент научно-фантастического фильма, чем реальность. Для диагностики генетических заболеваний в самых современных польских учреждениях используются тесты, основанные на секвенировании одного или нескольких выбранных генов (около 0,001 процента генома), в лучшем случае всего экзома (около 1 процента генома), до сих пор выполняются. Таких тестов часто бывает достаточно, потому что, зная о недугах пациента, мы отбираем для анализа только те гены, которые важны. Это экономит время и деньги, что очень важно, так как плательщиками часто являются сами пациенты или, в случае редких заболеваний, их родители.
Однако метод секвенирования выбранных генов или экзомов имеет много ограничений. С его помощью трудно уловить, например, более крупные аномалии, такие как мутации, называемые структурными перестройками в геноме, которые заключаются в изменении структуры ДНК и могут включать, например, делецию данного фрагмента или его дублирование. Кроме того, этот метод пропускает некодирующие области, которые часто содержат информацию, регулирующую функцию отдельных генов.
Почему эти элементы так важны? Информация, содержащаяся в ДНК, - это одно, а какие белки появятся в данной клетке - совсем другое. Разные клетки имеют разные потребности, поэтому нельзя сравнивать клетку скелетных мышц с клеткой печени. У них совершенно разные функции и строение, поэтому участки ДНК, имеющие решающее значение для функционирования данной клетки, будут совершенно разными. Это лишь верхушка айсберга, ведь сложнее всего понять процессы, происходящие в раковых клетках, а значит, и геном таких клеток. Каждый рак - это болезнь нашего генома, он развивается из-за определенных генетических мутаций.
- Современная генетическая диагностика основывается на анализе до нескольких десятков генов. Вскоре стандартом станет все большая генетическая панель, и, как следствие, будет проанализирован весь экзом. И далее, из-за ограничений секвенирования только экзома, мы со временем придем к тому моменту, когда ключевую роль будет играть геном. Мы решили пропустить все эти переходные этапы, отнимающие лишнее время и финансы, и сразу же предложить пациентам самую большую, самую сложную и в то же время самую полную диагностику, - говорит д-р Павел Завадски, генеральный директор MNM Diagnostics.
Ученый утверждает, что секвенирование всего генома может быть дешевле, чем анализ только избранных генов, а полученная информация может существенно повлиять на здоровье онкобольных и даже спасти им жизнь.
Сложные алгоритмы и глубокий анализ
МНМ Диагностика была создана всего три года назад с целью предоставления всем пациентам самой современной и точной онкологической диагностики, основанной на анализе всего генома пациента и его рака. Молодые и смелые ученые объединяют усилия, чтобы изменить лицо польской генетики. Однако такие действия требуют не только мужества, но прежде всего знаний, умений и… веры в успех проекта, что в польских условиях может оказаться самым сложным элементом.
Первоначально идея казалась настолько сложной и безумной, что все работали удаленно, разбросанные по миру, связанные интернетом (и генетикой). Первый геномный аналитик, работавший в Познани, Адриан Лейман, признает, что это была не дорога роз:
- За первые два года мы добились огромных успехов в возможностях наших аналитических инструментов. Определенно - это происходит.
На данный момент команда состоит из нескольких десятков человек, часть из которых работает непосредственно над геномами онкологических больных, а часть постоянно разрабатывает собственные диагностические инструменты, используемые в компании. Они настолько хороши и современны, что ими уже заинтересовались крупнейшие фармацевтические компании мира, ведь они позволяют считывать из генома ключевую информацию, касающуюся, например, наилучших методов лечения того или иного заболевания. пациент.
Биоинформатики и программисты, постоянно познающие секреты генетики, и биологи и врачи, которые должны в совершенстве понимать весь автоматизированный процесс анализа единичного образца, объединяют свои силы на поле междисциплинарной битвы.- Последовательность судебного разбирательства - это только начало. Результаты должны быть нормализованы и применены соответствующие фильтры, чтобы аналитик мог извлечь любую информацию из файла. В этом вся моя работа - я разрабатываю и совершенствую алгоритмы биоинформатики, которые позволяют мне извлекать диагностически полезную информацию и отделять ее от той, которая не имеет отношения к пациенту, - объясняет Давид Сильски, один из программистов MNM, проработавший дольше всех.
Масштабность задачи, которую биоинформатики из MNM берут на себя каждый день, иллюстрируется тем фактом, что наш геном состоит из 3,2 миллиарда пар нуклеотидов, то есть небольших химических соединений, из которых ДНК строится как кирпичики. Для диагностического тестирования весь геном пациента необходимо сравнить с эталонным геномом или его собственным здоровым геномом. Два генома отличаются друг от друга в среднем на 1%, что на практике дает нам около 4 миллионов букв (кирпичиков), которые будут отличаться. Такое изменение одного нуклеотида называется вариантом гена. Обычно мы даже не знаем, что у нас есть такие изменения, потому что они не вызывают никаких симптомов, но бывают ситуации, в которых они могут быть причиной серьезного заболевания. Во многих случаях именно определенные варианты генов отвечают за степень активности фермента, что может способствовать различному метаболизму одного и того же препарата у двух разных людей. Но не только медицины. Последний громкий проект ученых из Познани под названием «Наши геномы» (www.naszegenomy.pl) касался различий между польским населением и другими популяциями мира, и выяснилось, вопреки распространенному мнению, что алкогольный обмен ничем не выдающимся среди представителей нашего народа.
Каждый рак является генетическим заболеванием
Тщательный анализ генома рака помогает подобрать эффективный метод лечения для каждого пациента индивидуально, а в перспективе может позволить определить совершенно новые цели терапии. Ведь тестированию подлежат не только белок-кодирующие последовательности, но и все регуляторные последовательности, например микроРНК. Достаточно маленькому элементу в этом лабиринте событий выйти из-под контроля, и клетка уже не может нормально функционировать. В нормальных условиях такая дефектная клетка погибает, уступая место новым, но раковые клетки размножаются безудержно. Они как смертельный паразит.
Весь процесс злокачественной трансформации, к сожалению, может быть результатом только одной мутации и последующей неудачной последовательности событий. Такое патологическое изменение генома может приобретаться в течение жизни организма (например, в результате курения сигарет) и происходить только в одном конкретном месте. Поэтому, если мы хотим диагностировать рак и анализируем только несколько родственных генов, есть большая вероятность, что тест не даст нам никакого ответа. Может оказаться, что последовательность в анализируемых, выбранных генах правильная, а ген все равно нефункционален, потому что мутация находится совсем в другом месте, отвечающем за регуляцию. Вот почему взгляд на геном как на единое целое является ключом к пониманию того, как работает каждый рак.
Какова процедура исследования всего генома? - У пациента берут два образца: один из периферической крови, а другой из опухолевой ткани, обычно это биопсия или ткань, взятая во время операции. Нас интересует, какие мутации произошли в клетках, приведших к образованию опухоли. Благодаря этому есть шанс для точного обнаружения неисправного клеточного механизма, который можно «поразить» фармакологически, чтобы уничтожить только раковые клетки, - говорит д-р Мацей Домбровски, геномный аналитик, который также является главным научным сотрудником MNMie, обучающим врачей по всей Польше в сборе и подготовке материала для таких передовых геномных исследований.
Если вы остановитесь, вы пойдете назад
Как получить опыт, перемещаясь по белой точке на карте? «Конечно, мы начали с анализа собственных геномов, и на сегодняшний день у нас уже есть несколько тысяч полных анализов. Это один из самых высоких показателей в мире. Для нас также достаточно знать, как мы должны улучшить наши инструменты. Мы остаемся в состоянии постоянного обучения и совершенствования, - с гордостью объясняет доктор Паула Добош, директор по научным разработкам MNM Diagnostics.
Полногеномные диагностические тесты сегодня не распространены, но научный мир не сомневается, что вскоре они станут обычным явлением в диагностике. Первым президентом, осознавшим ценность такого анализа, был президент Барак Обама, который лично участвовал в создании многих законов и постановлений, связанных с анализом целых геномов, в том числе в открытии программы «Все мы». Это была первая крупная научная программа, в которой каждый участник получил полную обратную связь в обмен на то, что пожертвовал свой геном науке. Стоит помнить, что факт обезличивания геномных данных - это процедура, которая существует для защиты самих участников исследования.
Экономия для системы, здоровье для пациентов
Как и любая современная революционная технология, полногеномная диагностика имеет и свои недостатки. Во-первых, это необходимость проведения теста на основе ДНК, выделенной из свежего материала, поэтому кусочек опухолевой ткани из парафинового блока категорически не подходит, т. к. слишком велики повреждения ДНК. Второе - это большие затраты, которые, к сожалению, все равно несет пациент. Однако высокая эффективность метода заставляет все больше и больше клинических центров внедрять в свое предложение полногеномную диагностику, ища варианты финансирования вместе с пациентами.
Поэтому следующим шагом непременно станет внедрение анализа всего генома пациентов в системное здравоохранение, что позволит получить гигантскую финансовую экономию для системы за счет повышения эффективности лечения, сокращение сроков госпитализации или увеличение продолжительности жизни больных. Мы уже видим первые такие попытки в Нидерландах и Великобритании. Ученые с Британских островов, вдохновленные проектом «1000 геномов», завершившимся в 2012 году, установили чрезвычайно высокую планку и хотят проанализировать целых пять миллионов из них. Подать заявку на участие в проекте может любой пациент NHS (National He alth Service), то есть службы общественного здравоохранения в Великобритании. Мир науки с нетерпением ждет результатов. С командой MNM у руля.