Гены вам расскажут всё

Генетический анализ: процедура, которая стоила 3 миллиарда долларов, скоро будет доступна каждому. А зачем?


АЛЕКСАНДР ЖАВОРОНКОВ

КАНДИДАТ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК, ЗАВЕДУЮЩИЙ ЛАБОРАТОРИЕЙ БИОИНФОРМАТИКИ ФНКЦ ДГОИ, ДИРЕКТОР ФОНДА БИОГЕРОНТОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Гендиагностика — это очень широкая область, которую тоже можно разделить на несколько частей. Одна часть — это анализ генома человека, который можно сделать один раз в жизни и по нему рассказать о предрасположенности к различным заболеваниям, выявить отцовство, материнство, узнать свою этническую принадлежность (откуда вы пришли, к какой популяционной группе вы относитесь), можно понять, являетесь ли вы носителем какого-либо генетического заболевания и как вы реагируете на те или иные лекарства...

РИА НовостиМожно делать гендиагностику в динамике: искать какие-либо изменения в организме за счет анализа свободно циркулирующих нуклеиновых кислот или из биопсии ткани. Выделяем ДНК (или из крови, или из клетки) и смотрим, что там не в порядке. Таким образом, можно диагностировать болезни или подбирать какую-либо стратегию лечения для определенной болезни по генетическому профилю конкретной клетки или группы клеток.

Также можно исследовать различные заболевания, вызванные вирусными инфекциями, бактериальными инфекциями и т.д.

 

О СТОИМОСТИ

Эта область шагнула далеко вперед за последние пять лет. Многие прорывы в гендиагностике, конечно, были сделаны при расшифровке человеческого генома, которая закончилась в самом начале этого века. Эти данные были использованы для большого количества различных генетических тестов и стратегий. Стоимость секвенирования первого человеческого генома составляла более 3 миллиардов долларов. Сегодня мы можем секвенировать человеческий геном за 5 тысяч. И эта стоимость очень быстро стремится к 1 тысяче долларов. Гипотетически можно секвенировать человеческий геном и за несколько долларов. В зависимости от того, когда эти технологии придут на рынок.

 

ОБ АНАЛИЗЕ ДНК ПЛОДА

Одна из областей гендиагностики, которую изучает наша лаборатория в Федеральном научно-клиническом центре детской гематологии, онкологии и иммунологии, — это ранняя неинвазивная пренатальная диагностика. Это стратегия анализа и выявления различных генетических заболеваний у плода в период беременности матери. Уже на 10-й неделе беременности можно взять у матери кровь, выделить фетальное ДНК, просеквенировать его, разложить какое-то количество считываний по хромосомам и посмотреть плоидность — количество хромосом у этого плода. Можно выявить такие болезни, как синдром Дауна (это три 21-х хромосомы), синдром Эдвардса и синдром Потау (т.е. 13-я и 18-я хромосомы). Такие тесты уже запущены в Америке четырьмя компаниями и активно используются. Гипотетически можно выявить большое количество генетических заболеваний, которых на данный момент существует более 1500, и в таком случае приходится секвенировать практически весь геном.

 

О ПРОРЫВАХ

История ранней неинвазивной пренатальной диагностики по свободно циркулирующим нуклеированным кислотам началась в 1997 году, когда профессор Деннис Ло в Гонконге выделил фетальное ДНК и фетальное РНК из периферической крови матери и опубликовал результаты. Он запатентовал методы с использованием свободно циркулирующих нуклеиновых кислот плода для пренатальной диагностики. На базе его исследований сразу несколько исследовательских групп начали разрабатывать методы диагностики. В конце 2011 года на рынке появились первые тесты по определению синдромов Дауна, Патау и Эдвардса по периферической крови матери. То есть от открытия до массового применения в клинике прошло порядка 15 лет. Сейчас эти прорывы случаются все чаще и чаще. Сегодня гендиагностика очень часто используется для выявления различных раковых заболеваний. По периферической крови мы можем определить большое количество типов рака. Мы можем не просто секвенировать ДНК, мы можем смотреть на другие механизмы регуляции.

 

О КОММЕРЧЕСКОМ ГЕНЕТИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ

Очень большой толчок в развитии генетического скрининга дали такие компании, как 23andMe, Pathway Genomics и Decode. Это компании, которые начали предлагать генетический скрининг для обычных людей или напрямую, или через докторов. В эти компании можно послать образец слюны, они выделят ДНК и расскажут об этнической принадлежности, покажут носительство различных заболеваний и предрасположенность к заболеваниям и метаболизм различных лекарств. И многие компании планируют переходить от микрочипов к полному геномному секвенированию. Эта индустрия достаточно новая, но сейчас идет семимильными шагами. Уже сегодня можно достаточно недорого, меньше чем за 300 долларов, получить информацию по собственному геному. В России такие исследования тоже проводятся.

 

О ЦЕНТРАХ В КИТАЕ И МАЛАЙЗИИ

Многие азиатские страны, например Китай, инвестировали огромные деньги в центры секвенирования и центры гендиагностики и генаналитики. Китайская компания Beijing Genomics Institute (BGI) сейчас обеспечивает около 20% мирового секвенирования. Малайзия инвестировала огромные деньги в биоинформатику. Малайзийский геномный исследовательский центр сейчас сотрудничает с нашим Научно-клиническим центром детской гематологии, онкологии и иммунологии по созданию центра гендиагностики.

 

О ДИАГНОСТИКЕ ПО ДНК

Гендиагностика сейчас очень активно используется для анализа инфекционных заболеваний и различных патологий. Вы приходите в компанию, сдаете кровь, выделяется общая ДНК, делается ПЦР1; или можно, например, в некоторых лабораториях сделать микрочипирование вашей ДНК и посмотреть различные биомаркеры заболеваний. 

Одним из узких мест в гендиагностике является биоинформатика. Для анализа полного генома или даже анализа большого количества микрочиповых данных требуются гигантские вычислительные мощности, алгоритмы анализа данных, а также большое количество специалистов биоинформатики. И это является проблемой. Сейчас биоинформатическая часть анализа генома может занимать больше времени, чем секвенирование. Также биологические процессы обусловлены сложным взаимодействием генетических и эпигенетических факторов («эпи» — это значит «над» генетическими процессами), таких как метилирование2 ДНК, конформационные изменения, микроРНК и многих других. Эти процессы очень сложные и могут изучаться только с использованием биоинформатики. В России обязательно стоит вкладываться в биоинформатику. Потому что это нерегулируемая область, где нет проблем с реагентами, можно многие алгоритмы запускать на обычном компьютере и анализировать данные, полученные за рубежом. GeneGo и Ariadne Genomics — oдни из самых успешных биоинформатических проектов, которые были проданы западным организациям за миллионы долларов, — имели именно российские корни.

_________
1ПЦР (полимеразная цепная реакция) — метод, позволяющий обнаружить на основе генетической информации возбудителя заболевания.
2Модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности
.

postnauka.ru/video/7713

 

 

Каждый получит свое лекарство

Молекулярное моделирование: фантастические перспективы и невероятные препятствия


ПЁТР ФЕДИЧЕВ

PHD, НАУЧНЫЙ ДИРЕКТОР QUANTUM PHARMACEUTICALS

Разработка лекарств — это дорогой и рискованный процесс. Консалтинговые компании оценивают, что для разработки успешного препарата нужно потратить до миллиарда долларов, и занимает это обычно свыше 10 лет. Самое ужасное, что из-за повышения требований к безопасности все больше и больше лекарственных препаратов, на которые уже потрачены сотни миллионов долларов и годы работы, не могут пройти клинические исследования. Увеличивается количество отказов в регистрации. Если так пойдет и дальше, то очень скоро может не найтись людей, которые согласятся финансировать этот процесс из-за высоких рисков.

 

1.

РИА НовостиК тому же болезни, с которыми сталкивается медицина, становятся сложнее. Простые болезни вылечены, все труднее найти какую-то одну причину заболевания (как, например, бактерия или вирус). Зачастую чрезвычайно дорогостоящие терапии не способны победить смертельные заболевания и лишь незначительно продлевают жизнь больного (более половины расходов на лечение может приходиться на последний год жизни больного). Хуже того, все люди генетически разные, и у каждого человека рак или диабет свой. Для одного пациента, внутри одной раковой опухоли печени пункция может дать четыре и более видов раковых клеток.

Если не появятся какие-то прорывные технологии, которые позволят существенно ускорить и удешевить процесс разработки все большего количества все более специфических и безопасных лекарств, возможно, что и через 100 лет мы будем жить столько же, сколько живем сейчас. В принципе, это не такая уж большая проблема, потому что за последние сотни лет максимальная продолжительность жизни практически не менялась. Нам повезло, что мы живем в момент, когда средняя продолжительность жизни быстро увеличилась за небольшое время, в основном из-за повышения стандартов санитарии и появления эффективных антибиотиков. Но прорывные технологии появляются, и ключ здесь — использование современных вычислительных средств, средств искусственного интеллекта.

 

2.

Биология — очень ёмкая наука о фактах, которые в большинстве своем, к сожалению, случайны. На вопрос «Почему так?» ответ один: «Так получилось. Эволюционно». Для успешного лечения заболеваний нужно связать очень много фактов, но в этих фактах множество случайных связей, которые чрезвычайно тяжело проанализировать. Нет никакой логики, единого создателя или единой схемы, по которой все это было бы организовано. Поэтому для анализа генетических сетей и сигнальных путей, которые приводят к развитию тех или иных заболеваний, просто необходимо использовать мощные вычислительные средства.

 

3.

Компьютеры позволяют анализировать сигнальные пути, изучать, как одни гены влияют на другие. Так как природа построена по принципу максимальной выживаемости, многие гены делегируют связи между собой так называемым генам мастерам-регуляторам, которые одновременно связаны с большим количеством генов. Выявление тех мастеров-регуляторов, которые активируются при заболеваниях и не активны в нормальном состоянии, и есть задача определения мишеней для медицинских интервенций. Для этого используются самые разные методы. В основном это геномика; сейчас появляется транскриптомика, т.е. секвенирование генома с последующим изучением уровней экспрессии генов и метаболитов в клетках.

Таким образом, появляется способ изучать десятки, а возможно, в ближайшее время и сотни тысяч параметров каждой клетки. Выявляются тонкие различия экспрессии генов, а главное, выясняется, какие из генов, будучи экспрессированы в неправильное время, порождают изменение здоровой клетки до больной. Именно они имеют шанс стать теми мишенями, для которых фармацевтическая промышленность будет разрабатывать лекарства, которые по-настоящему помогут от того или иного заболевания.

 

4.

До сих пор большая часть лекарств была найдена, как ни странно, методом проб и ошибок, даже если речь шла об индустрии. Методом так называемого высокопроизводительного скрининга испытывались десятки, сотни, иногда под миллион веществ на определенных клеточных моделях тех или иных заболеваний, из которых десятки и сотни продвигались дальше как потенциальные лекарственные средства. К сожалению, в прошедшие годы крупные компании потратили миллионы долларов, проводя скрининг сотен тысяч веществ против определенных патологий, где ни одно из этих веществ не дало достойного кандидата. Компьютерный метод молекулярного моделирования позволяет одновременно исследовать десятки миллионов молекул. Так как эти молекулы создаются против конкретной мишени, которой не должно быть у здорового человека, оказывается меньше шансов, что такая молекула станет токсичной и не пройдет дальнейшие этапы доклинических и клинических исследований.

 

5.

Создание таких технологий не просто ускоряет или удешевляет исследования, а зачастую позволяет в принципе найти хоть что-нибудь от важнейших заболеваний. Таким путем, например, совсем недавно были получены молекулы от вирусного гепатита. Этим летом они были одобрены в Соединенных Штатах, а значит, и в мире. Впервые в истории человечества вирусный гепатит С стал если не излечимым, то контролируемым заболеванием. Для определенного вида рака груди появились очень эффективные, т.н. таргетные препараты, которые значительно повысили прогноз выживаемости больных.

Мы находимся в начале этого процесса. Компьютеры для разработки лекарств стали применяться лет 15 назад, но примерно последние 5 лет мы видим наконец примеры, когда это стало по-настоящему получаться.

 

6.

Можно ли молекулярное моделирование применить в какой-нибудь другой сфере? Конечно, можно. Помимо поиска новых лекарств перед людьми стоят задачи создания новых материалов: полимеров, материалов для энергетики или фотоэлектроники и т.д. Везде, где нужно придумать молекулу, которой еще пока не было в природе, нужны хорошие методы молекулярного моделирования. Биология, возможно, является одним из полигонов, на котором сейчас эти методы отрабатываются. В будущем сможем создавать новые кристаллы, полупроводники, материалы с уникальными свойствами, которых в природе никогда еще не было. Например, для квантовых компьютеров.

 

7.

Фармацевтика представляет собой одну из самых высокотехнологичных областей бизнеса. Этот бизнес, очевидно, будет использовать любые возможности, которые появляются, в том числе и возможности молекулярного моделирования. Я уверен, что только благодаря появлению таких технологий мы будем видеть новые лекарства, которые будут стоить, наверное, уже не тех денег, что сейчас, и по-настоящему помогать пациентам, даже если надо будет сделать лекарство, которое потребуется всего сотне пациентов на планете. Или даже одному!

postnauka.ru/video/7260

 Новая газета

25 Января 2013
Поделиться:

Комментарии

Для загрузки изображений необходимо авторизоваться

Материалы категории
Pro-смотри

Архив материалов