Молекулярная медицина - размышления о настоящем и будущем. Тернистый путь в третье тысячелетие
Д.м.н. Н.В. Рязанцева
Лекция
МОЛЕКУЛЯРНАЯ МЕДИЦИНА:
РАЗМЫШЛЕНИЯ О НАСТОЯЩЕМ И БУДУЩЕМ. ТЕРНИСТЫЙ ПУТЬ В ТРЕТЬЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИЕ
Томск –2003
Важнейшими достижениями медицины последнего времени следует считать появление в арсенале врачей практически безграничных возможностей вмешательства в процессы жизнедеятельности человеческого организма. Разработка средств и методов управления функциями, воздействие на тончайшие обменные и ферментативные процессы, передача наследственной информации сделали реальностью безопасную хирургию и высокоэффективную терапию многих ранее неизлечимых болезней.
Это стало следствием успехов развития фундаментальных наук, изучения проблем жизнедеятельности, а также возникновения и формирования научно-теоретической базы медицины. При всем богатстве и разнообразии прежних культурно-исторических эпох научно-теоретический базис медицины позволял лишь истолковывать накапливающийся врачебный опыт. Теперь в связи с новыми теоретическими основами медицины впервые в ее истории сложилась ситуация, когда разработка средств воздействия на организм человека, методов диагностики, лечения и профилактики заболеваний обеспечивается главным образом в ходе фундаментальных исследований.
Рекомендуемые материалы
Среди фундаментальных медико-биологических наук приоритетное развитие получили биохимия, биофизика, клеточная биология, мембранология, генетика, молекулярная биология, иммунология. Изменился облик патологической физиологии – интегративной науки, являющейся теоретической основой и мостом между базисными дисциплинами и клинической медициной. Современные тенденции развития патофизиологии можно обозначить следующим образом (Г.Н. Крыжановский. Современная патофизиология и ее развитие. Вестник РАМН. 2002. 11. 45-47.):
· Расширены рамки теоретической патофизиологии (появление нового арсенала неинвазивных методов для исследования патологических процессов и нарушенных функций позволило разработать новые технологии изучения функций органов и систем при патологии в эксперименте, а также у человека в естественных условиях, в покое и при функциональных нагрузках).
· Нашла широкое использование компьютерная методология (компьютерное моделирование патологических процессов и клинических синдромов).
· Укрепилась значимость изучения типовых патологических процессов, которые имеют место при различных формах патологии и не обладают специфической нозологической характеристикой. Разные их комбинации составляют специфическую патогенетическую структуру частных форм патологии органов и систем. Установление общих закономерностей развития типовых патологических процессов способствует пониманию биологического смысла этих закономерностей и формированию концептуального подхода к их изучению.
· По-прежнему сверхактуальным остается выяснение конкретных механизмов развития патологических процессов при каждой форме патологии (например, воспаление, как типовой патологический процесс, реализуется различными по своей природе механизмами при разной патологии).
· Новым разделом патофизиологии является дизрегуляционная патология (патология, возникающая вследствие нарушения регуляции деятельности и функции живых систем; эта дизрегуляция становится причиной и эндогенным патогенетическим механизмом либо дальнейшего развития патологического процесса, либо возникновения новых патологических процессов).
· Получила развитие клиническая патофизиология, выполняющая роль моста между базисными медико-биологическими дисциплинами и клиникой.
· Современный патофизиолог должен использовать для осмысления патологических процессов не только достижения своего предмета, но и других медико-биологических наук (в т.ч. генетики) и смежных областей естествознания.
· Сегодня уместно говорить о молекулярной патофизиологии, изучающей расстройства молекулярных взаимодействий и их последствия на уровне клетки и организма при патологии.
В настоящее время наступила эра молекулярной биологии. Весьма важным направлением в биологии и медицине является изучение молекулярных процессов, лежащих в основе различных форм патологии. Неоспоримо огромное влияние на всю фундаментальную и прикладную медико-биологическую науку оказало изучение генома.
Сиквенс генома человека
Работа над реализацией программы «Геном человека» началась 1 октября 1990 года в США при участии Министерства энергетики и Национального института здоровья. Активным инициатором и пропагандистом программы «Геном человека» стал знаменитый Джеймс Уотсон. В 1995 году был создан Национальный институт генома человека, который возглавил Фрэнсис Коллинз. В этом же году он стал руководителем «Международной программы Геном Человека», к которой присоединились ведущие молекулярные лаборатории Великобритании, Франции, Германии, Японии и России. Решающая роль в становлении и развитии одноименной отечественной подпрограммы принадлежит выдающемуся ученому академику А. А. Баеву.
Конечная цель программы – определение нуклеотидной последовательности всего генома человека.
Поражают темпы работ по секвенированию генома человека. Еще в 1995 г. стоимость одного шага (определение положения одной пары оснований в цепочке ДНК) оценивали в 1$ и, соответственно, всю программу 3 триллиона долларов, то уже в 1998 г., благодаря техническим усовершенствованиям, цена шага составила 50 центов, а к началу 2000 года, благодаря широкой автоматизации и микрокапиллярной технологии, она снизилась до 25 центов! В США и Великобритании были разработаны и внедрены гигантские автоматические фабрики по секвенированию генома — геномотроны, обладающие скоростью секвенирования несколько миллионов нуклеотидов в неделю.
Весной 2000 года было заявлено о получении «чернового» варианта генома человека. Помимо человека, в настоящее время полностью секвенированы геномы еще 600 видов организмов.
Стремительный рост информации о геноме человека открыло новые горизонты для фундаментальных и прикладных исследований.
Исследования генома человека уже привели к возникновению таких новых научных направлений, и, соответственно, программ как «Функциональная геномика», «Генетическое разнообразие человека», «Этические, правовые и социальные аспекты исследований генома человека». Эти направления активно проникают во все сферы жизни человека и позволяют уже сейчас говорить о быстро нарастающей «генетизации» человечества.
Функциональная геномика
Достижения в области изучения структуры геномов вывели генетические исследования на качественно новый более высокий уровень. Постгеномный период развития генетики ознаменовался приходом на смену структурной геномики функциональной геномики.
Основным объектом внимания функциональной геномики признаются именно генные функции.
Круг основных научных интересов функциональной геномики:
· Изучение координированной работы генов по образованию первичных транскриптов с последующим сплайсингом и формированием наборов зрелых мРНК (транскриптомика).
· Изучение белковых продуктов генной экспрессии, включая их посттрансляционные модификации (протеомика).
· Изучение генетических механизмов и генетического контроля за формированием субклеточных структур, клеточной дифференцировки гистогенеза (цитомика).
· Изучение генетических механизмов и генетического контроля за формированием различных фенотипов в норме и при патологии.
Предполагается, что когда будет создан генный портрет генома человека, станет возможной идентификация 200–300 000 белков. Выяснить их появление в онтогенезе, исследовать «экспрессионный профиль» сотен и тысяч генов на микропланшетах для мониторинга экспрессионного статуса клеток и тканей в норме и при различных заболеваниях — центральная задача Функциональной Геномики в так называемую постгеномную эру. Решение ее непосредственно связано с проблемами молекулярной медицины.
Генетическое разнообразие человека
Геномы всех людей, за исключением однояйцовых близнецов, различны. Выраженные популяционные, этнические и, главное, индивидуальные различия геномов как в их смысловой части (экзоны структурных генов), так и в их некодирующих последовательностях (межгенные промежутки, интроны) обусловлены различными мутациями, приводящими к генетическому полиморфизму. Последний является предметом пристального изучения быстро набирающей силы программы «Генетическое Разнообразие Человека». Решение многих проблем этногенеза, геногеографии, происхождения человека, эволюции генома в филогенезе и этногенезе — вот круг фундаментальных проблем, стоящих перед этим быстро развивающимся направлением.
Генетический полиморфизм обусловливает появление белковых продуктов с несколько измененными физико-химическими свойствами и функциональной активностью.
В определенных условиях генетический полиморфизм может способствовать или препятствовать проявлению различных заболеваний.
Все заболевания, спровоцированные аллельными вариантами генов предрасположенности, относятся к числу мультифакторных заболеваний.
Сейчас в патологии очень широко используется понятие «Гены предрасположенности».
«Гены предрасположенности» - это гены, аллельные варианты которых предрасполагают к возникновению определенных заболеваний. (Аллель – альтернативная форма гена).
«Гены предрасположенности» - это мутантные гены, которые совместимы с рождением и жизнью в постнатальном периоде, но при определенных неблагоприятных условиях могут способствовать развитию того или иного заболевания.
Различают следующие «гены предрасположенности»:
1. Гены детоксикации (гены внешней среды) - гены, ответственные за метаболизм ксенобиотиков - чужеродных веществ, поступающих в организм (фармакологические препараты, яды, промышленные загрязнения и др.). Известны более 200 генов детоксикации. Функционально неполноценные аллели генов детоксикации значительно чаще встречаются у лиц с заболеваниями, в этиологии которых существенная роль принадлежит неблагоприятным экзогенным факторам.
2. Гены-триггеры мультифакторных болезней – гены, играющие ключевую роль в поддержании клеточного гомеостаза. Известны более 50 генов-триггеров.
3. Гены мембранных рецепторов – гены, ответственные за взаимодействие ксенобиотиков с клетками и межклеточные коммуникации.
Детоксикация ксенобиотиков осуществляется ферментными системами при участии мембраносвязанных рецепторов, которые регулируют активность этих ферментов:
- гены детоксикации, ответственные за биотрансформацию ксенобиотиков:
Примеры:
неполноценный (нулевой) аллель гена глутатион-S-трансферазы (GSTM1) связан с раком легких, хроническим обструктивным бронхитом, раком мочевого пузыря, эндометриозом
у лиц с мутациями в гене CFTR (регулятор трансмембранной проводимости) тяжело протекает муковисцидоз
у лиц, гомозиготных по «медленной» форме микросомной эпоксигидролазы (mEPXH) с повышенной чувствительностью к действию табачного дыма, оксидантов (6% населения России), чаще встречаются эмфизема, хронические обструктивные пневмонии
Гены-триггеры мультифакторных болезней
Мутации гена р53 (гена-супрессора) приводят к активации онкогенов и развитию злокачественных новообразований
Мутации в гене фактора V свертывания крови резко увеличивает вероятность тромбозов
Полиморфизм аминокислотной последовательности ангиотензин-превращающего фермента, связанный с делецией Alu-последовательности в интроне 16 гена этого фермента, рассматривается как генетический фактор предрасположенности к инфаркту миокарда
- гены мембранных рецепторов
носители «медленного» аллеля гена рецептора витамина D3 (VDR3) предрасположены к остеопорозу
делеция 32 п.н. в гене CCR5, ответственном за синтез мембранного белка – корецептора макрофаготропных штаммов ВИЧ, делает невозможным проникновение вируса в макрофаги у гомозигот
Важно помнить, что тестирование «генов предрасположенности» носит вероятностный характер. Оно не позволяет установить диагноз, но дает возможность выявить лиц, у которых повышен риск развития той или иной патологии.
В обозримом будущем возможно получение «генетического паспорта» каждого человека.
Генетическое тестирование через выявление «генов предрасположенности» делает возможным прогнозирование развития патологии. Это молекулярные основы предиктивной (превентивной, профилактической) медицины.
Геном Человека и Молекулярная Медицина
Одним из решающих итогов изучения генома человека является появление и быстрое развитие качественно нового этапа медицинской науки — Молекулярной Медицины - Медицины XXI века
Молекулярная медицина включает в себя диагностику, профилактику и лечение наследственных и ненаследственных заболеванием с использованием нуклеиновых кислот и продуктов их экспрессии.
Молекулярная медицина включает в себя молекулярную диагностику, превентивную медицину(т.е. молекулярную профилактику) и строго индивидуальную фармакотерапию (генную терапию).
Научную основу молекулярной медицины составляют:
- Идентификация структурных и регуляторных генов,
- Выяснение генной природы и молекулярных механизмов многих наследственных и мультифакторных болезней
- Изучение роли генетических факторов в этиологии и патогенезе различных патологических процессов и состояний (в т.ч. многих инфекций)
- доказательство генетической неповторимости каждого индивидуума
Основными достижения молекулярной медицины:
1. Разработаны точные, эффективные и, в значительной степени, универсальные методы диагностики наследственных болезней на любой стадии онтогенеза, в т.ч. и до рождения (пренатальная диагностика).
2. Разработаны молекулярные подходы для абсолютно точной идентификации личности (геномная дактилоскопия).
3. Заложены экспериментальные и клинические основы генной терапии наследственных и ненаследственных болезней.
4. На основе данных об индивидуальном метаболическом и генетическом статусе начаты исследования по фармакогенетике и фармакогеномике.
5. Разработаны молекулярные основы профилактической (предиктивной) медицины.
Одним из важнейших направлений молекулярной медицины является генная терапия, которую трактуют как медицину XXI века.
Генная терапия – коррекция специфического генетического дефекта путем введения в клетку-мишень функционального экспрессирующегося гена.
Разработка генной терапии столкнулась с множеством вопросов:
Как получить доступ к клеткам, предназначенным для коррекции?
Как осуществить доставку терапевтического гена?
Какая доля клеток-мишеней должна получить такой ген, чтобы болезнь отступила?
Не вызовет ли избыточная экспрессия введенного гена побочных эффектов?
В настоящее время существуют следующие методы генной терапии:
1. По типу клеток-мишеней:
- соматическая
- фетальная
2. По цели воздействия:
- позитивная (усиление экспрессии гена)
- негативная (снижение экспрессии гена)
3. По тактике введения рекомбинантного агента:
- ex vivo
- in vivo
- in situ
- in utero
4. По типу векторной системы:
- вирусные векторы (ретровирусы, аденовирусы)
- невирусные векторы
- микроинъекции
Агенты, используемые в генной терапии: ДНК, РНК (антисмысловые «ловушки» нуклеиновых кислот), протеины (одноцепочечные антитела, белки, кодируемые суицидными генами), ДНК-вакцины.
Химеропластика – это метод коррекции ДНК в клетке, химеропласты – это ДНК/РНК-химеры (25 нуклеотидов), которые претерпевают комплементарный сплайсинг с клеточной ДНК, изменяя таким образом ее функциональную активность.
Подходы к генной терапии соматических клеток можно разделить на две большие категории:
- Генная терапия ex vivo включает следующие этапы:
1. Получение клеток от больного
2. Исправление генетического дефекта с помощью переноса нужного гена в изолированные клетки.
3. Отбор и наращивание генетически исправленных клеток.
4. Инфузия или транплантация этих клеток пациенту.
- Генная терапия in vivo:
Предполагает доставку «терапевтического» гена непосредственно в клетки определенной ткани пациента.
В настоящее время проходят более 400 клинических испытаний геннотерапевтических проектов как области коррекции наследственных моногенных заболеваний, так и мультифакторных болезней (табл).
Молекулярная медицина в 1998 году породила новое понятие – персонализированная медицина. Сейчас 220 упоминаний этого термина в Medline.
Персонализированная медицина подразумевает назначение конкретного лекарства конкретному больному (индивиду) на основании фармакогенетических и фармакогеномных сведений.
Персонализированная медицина представляет собой интегральную медицину, которая включает в себя разработку персонализированных средств лечения на основе геномики, тестирование на предрасположенность к болезням, профилактику, лечение и его мониторинг.
Основные составляющие персонализированной медицины:
1. Молекулярная диагностика.
2. Интеграция диагностики и лечения.
3. Мониторинг лечения.
4. Фармакогеномика.
5. Фармакогенетика.
6. Фармакопротеомика.
Фармакогенетика – исследование влияния генетических факторов на действие лекарств.
Фармакогеномика – исследование механизмов действия лекарств на клетки на основе изучения изменений экспрессии генов.
Особенности фармакогенетики и фармакогеномики
Персонализированная медицина
Преимущества для фармацевтической индустрии
- повышение эффективности и снижение цены нацеленных и продолжающихся разработок
- укорочение временных сроков и стоимости клинических испытаний
- возникновение новых генных целей для разработки препаратов
- дифференциация продуктов на рынке
-
Персонализированная медицина
Преимущества для пациентов и врачей.
- высокая вероятность желаемого результата при применении препарата
- низкая вероятность нежелательных побочных эффектов
- отсутствие потерь времени из-за ошибок вследствие применения неэффективных лекарств
- превентивные стратегии
- фокусированная терапия
- снижение стоимости лечения
- улучшение здоровья и здравоохранения
Новая парадигма в терапии пациентов – посмотреть с глобальной молекулярной точки зрения на болезнь конкретного индивида.
Продолжающаяся фундаментализация медицины привела к пониманию того, что прогресс клинической медицины полностью зависит от медицины молекулярной, т.е. исследований, проводимых на уровне генов и молекул. Пренебрежение или невнимание к этой проблеме могут существенно повлиять на темпы развития фундаментальных основ медицины и в значительной мере ограничить влияние достижений теоретической мысли на практику.
Литература
V. S. Baranov. Genetic Approaches to Noncommunicabie Diseases eds. K. Berg, V. Buiyjenkov, Y. Christen. (Springer–Verlag) p 105, 1996
F. S. Collins. Shattuck Lecture Medical and Societai Consequences of the Human Genome Project. New Engi. J. Mod. 341 N.I p 28 (1999).
F. S. Collins, A. Patrions, E. Jordan et al. New Goals for the US Human Genome Project: 1998–2003. Science 282 p 682 (1998).
E. S. Lander. Array of Hope. Nature Nature Genet Suppi. 21 January, p 3 (1999).
Who Reports Proposed International Guidelines on Ethical Issues in Medical Genetics (Geneva) p 15, 1998.
Академик А. А. Баев. Очерки, переписка, воспоминания М. Наука, 498.
А. А. Баев. Итоги Науки и техники. Геном Человека. ВИНИТИ. c 4 (1990).
В. С. Баранов. Генная терапия — медицина XXI века. Соросовский Образоват. Журнал No 3, 1 (1999).
В. С. Баранов. Молекулярная медицина: молекулярная диагностика, превентивная медицина и генная терапия. Мол. Биология а 34 No 4 684 (2000).
В. С. Баранов. Программа «Геном человека» как научная основа профилактической медицины. Вестн. Рос. Акад. Мед. Наук б 10 27 (2000).
В. С. Баранов, А. Н. Баранов. Генная терапия наследственных болезней. Миодистрофия Дюшенна. Вопросы медицинской химии (2000).
В. С. Баранов, М. В. Асеев, Е. В. Баранова. Гены предрасположенности» и генетический паспорт. Природа б No 3 с 17 (1999).
В. С. Баранов, Е. В. Баранова, Т. Э. Иващенко, М. В. Асеев. Геном человека и гены «предрасположенности». Введение в предиктивную медицину. Интермедика СП 271 (2000).
Н. П. Бочков. Клиническая генетика М. «Медицина» 287 (1997).
В. Н. Горбунова, В. С. Баранов. Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. СП «Специальная литература» 287 (1997).
В. И. Иванов, Б. Г. Юдин. Этико–правовые аспекты программы «Геном человека». М. 189 (1998).
В. П. Пузырев, В. А. Степанов. Патологическая анатомия генома человека (Новосибирск: «Наука») 223 (1997).
Е. Д. Свердлов. Очерки современной молекулярной генетики по курсу лекций для студентов биологического факультета МГУ. Очерк 6. Генная терапия и медицина XXI века. Молекул. генет., микробиол., вирусол. No 4 c 3 (1996).
В. Н. Сойфер Исследование геномов к концу 1999 года. Соросовский Образоват. Журнал 6 No 1 15 (2000).
Н. К. Янковский. Молекулярно–генетические методы в руках детектива, или опыт исследования останков семьи последнего российского императора. Соросовский Образоват. Журнал No 2, c 21 (1996).
СЛАЙДЫ
Сл.1
Функциональная геномика
Объект внимания - генные функции.
Круг научных интересов функциональной геномики:
· Изучение координированной работы генов по образованию первичных транскриптов с последующим сплайсингом и формированием наборов зрелых мРНК (транскриптомика).
· Изучение белковых продуктов генной экспрессии, включая их посттрансляционные модификации (протеомика).
· Изучение генетических механизмов и генетического контроля за формированием субклеточных структур, клеточной дифференцировки и гистогенеза (цитомика).
· Изучение генетических механизмов и генетического контроля за формированием различных фенотипов в норме и при патологии.
Сл.2
Генетическое разнообразие человека
Геномы всех людей, за исключением однояйцовых близнецов, различны.
Выраженные популяционные, этнические и, главное, индивидуальные различия геномов как в их смысловой части (экзоны структурных генов), так и в их некодирующих последовательностях (межгенные промежутки, интроны) обусловлены различными мутациями, приводящими к генетическому полиморфизму.
Сл.3
Генетический полиморфизм обусловливает появление белковых продуктов с несколько измененными физико-химическими свойствами и функциональной активностью.
В определенных условиях генетический полиморфизм может способствовать или препятствовать проявлению различных заболеваний.
Все заболевания, спровоцированные аллельными вариантами генов предрасположенности, относятся к числу мультифакторных заболеваний.
Сл.4
«Гены предрасположенности» - это гены, аллельные варианты которых предрасполагают к возникновению определенных заболеваний.
«Гены предрасположенности» - это мутантные гены, которые совместимы с рождением и жизнью в постнатальном периоде, но при определенных неблагоприятных условиях могут способствовать развитию того или иного заболевания.
Сл.5
«Гены предрасположенности»:
Гены детоксикации (гены внешней среды)
Гены-триггеры мультифакторных болезней
Гены мембранных рецепторов
Гены детоксикации (гены внешней среды) - гены, ответственные за метаболизм ксенобиотиков - чужеродных веществ, поступающих в организм (фармакологические препараты, яды, промышленные загрязнения и др.). Детоксикация ксенобиотиков осуществляется ферментными системами при участии мембраносвязанных рецепторов, которые регулируют активность этих ферментов
Известны более 200 генов детоксикации.
Функционально неполноценные аллели генов детоксикации значительно чаще встречаются у лиц с заболеваниями, в этиологии которых существенная роль принадлежит неблагоприятным экзогенным факторам.
Сл.6
Гены детоксикации, ответственные за биотрансформацию ксенобиотиков
Неполноценный (нулевой) аллель гена глутатион-S-трансферазы (GSTM1) связан с раком легких, хроническим обструктивным бронхитом, раком мочевого пузыря, эндометриозом
У лиц с мутациями в гене CFTR (регулятор трансмембранной проводимости) тяжело протекает муковисцидоз
У лиц, гомозиготных по «медленной» форме микросомной эпоксигидролазы (mEPXH) с повышенной чувствительностью к действию табачного дыма, оксидантов (6% населения России), чаще встречаются эмфизема, хронические обструктивные пневмонии
Сл.7
Гены-триггеры мультифакторных болезней – гены, играющие ключевую роль в поддержании клеточного гомеостаза.
Известны более 50 генов-триггеров.
Мутации гена р53 (гена-супрессора) приводят к активации онкогенов и развитию злокачественных новообразований
Мутации в гене фактора V свертывания крови резко увеличивает вероятность тромбозов
Полиморфизм аминокислотной последовательности ангиотензин-превращающего фермента, связанный с делецией Alu-последовательности в интроне 16 гена этого фермента, рассматривается как генетический фактор предрасположенности к инфаркту миокарда
Сл.8
Гены мембранных рецепторов – гены, ответственные за взаимодействие ксенобиотиков с клетками и межклеточные коммуникации.
Гены мембранных рецепторов
носители «медленного» аллеля гена рецептора витамина D3 (VDR3) предрасположены к остеопорозу
делеция 32 п.н. в гене CCR5, ответственном за синтез мембранного белка – корецептора макрофаготропных штаммов ВИЧ, делает невозможным проникновение вируса в макрофаги у гомозигот
Сл.9
ГЕНЕТИЧЕСКОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ
ГЕНЫ «ДЕТОКСИКАЦИИ»
ГЕНЫ «ТРИГГЕРЫ»
ГЕНЫ МЕМБРАННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
БАЗЫ ДНК-ДАННЫХ
ПОПУЛЯЦИОННЫЕ ЭТНИЧЕСКИЕ
СЕМЕЙНЫЕ
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ
«ГЕНЕТИЧЕСКИЙ» ПАСПОРТ
сл.10
Важно помнить, что тестирование «генов предрасположенности» носит вероятностный характер.
Оно не позволяет установить диагноз, но дает возможность выявить лиц, у которых повышен риск развития той или иной патологии.
Генетическое тестирование через выявление «генов предрасположенности» составляет молекулярную основу предиктивной (превентивной, профилактической) медицины.
Сл. 11
Медицина XXI века
Понятие о молекулярной медицине
Сл. 12
МОЛЕКУЛЯРНАЯ МЕДИЦИНА
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИАГНОСТИКА
ПРЕВЕНТИВНАЯ МЕДИЦИНА
ГЕННАЯ ТЕРАПИЯ
СЛ. 13
Научная основа молекулярной медицины
- Идентификация структурных и регуляторных генов,
- Выяснение генной природы и молекулярных механизмов многих наследственных и мультифакторных болезней
- Изучение роли генетических факторов в этиологии и патогенезе различных патологических процессов и состояний (в т.ч. многих инфекций)
- Доказательство генетической неповторимости каждого индивидуума
Сл. 14.
Основные достижения молекулярной медицины
Разработаны точные, эффективные и, в значительной степени, универсальные методы диагностики наследственных болезней на любой стадии онтогенеза, в т.ч. и до рождения (пренатальная диагностика).
Разработаны молекулярные подходы для абсолютно точной идентификации личности (геномная дактилоскопия).
Заложены экспериментальные и клинические основы генной терапии наследственных и ненаследственных болезней.
На основе данных об индивидуальном метаболическом и генетическом статусе начаты исследования по фармакогенетике и фармакогеномике.
Разработаны молекулярные основы профилактической (предиктивной) медицины.
Сл. 15
Генная терапия – коррекция специфического генетического дефекта путем введения в клетку-мишень функционального экспрессирующегося гена.
Разработка генной терапии столкнулась с множеством вопросов:
Как получить доступ к клеткам, предназначенным для коррекции?
Как осуществить доставку терапевтического гена?
Какая доля клеток-мишеней должна получить такой ген, чтобы болезнь отступила?
Не вызовет ли избыточная экспрессия введенного гена побочных эффектов?
Сл.16
Методы генной терапии
1. По типу клеток-мишеней:
- соматическая
- фетальная
2. По цели воздействия:
- позитивная (усиление экспрессии гена)
- негативная (снижение экспрессии гена)
3. По тактике введения рекомбинантного агента:
- ex vivo
- in vivo
- in situ
- in utero
4. По типу векторной системы:
- вирусные векторы
- невирусные векторы
- микроинъекции
Агенты, используемые в генной терапии: ДНК, РНК (антисмысловые «ловушки» нуклеиновых кислот), протеины (одноцепочечные антитела, белки, кодируемые суицидными генами), ДНК-вакцины.
Химеропластика – это метод коррекции ДНК в клетке, химеропласты – это ДНК/РНК-химеры (25 нуклеотидов), которые претерпевают комплементарный сплайсинг с клеточной ДНК, изменяя таким образом ее функциональную активность.
Сл.17
Генная терапия ex vivo
Сл.18
Генная терапия in vivo
Предполагает доставку «терапевтического» гена непосредственно в клетки определенной ткани пациента.
Сл.19
Таблица
Сл. 20
Молекулярная медицина в 1998 году породила новое понятие – персонализированная медицина.
Персонализированная медицина подразумевает назначение конкретного лекарства конкретному больному (индивиду) на основании фармакогенетических и фармакогеномных сведений.
Сл.21
Основные составляющие персонализированной медицины:
7. Молекулярная диагностика.
8. Интеграция диагностики и лечения.
9. Мониторинг лечения.
10. Фармакогеномика.
11. Фармакогенетика.
12. Фармакопротеомика.
Фармакогенетика – исследование влияния генетических факторов на действие лекарств.
Фармакогеномика – исследование механизмов действия лекарств на клетки на основе изучения изменений экспрессии генов.
Сл.22
Особенности фармакогенетики и фармакогеномики
Сл.23
Персонализированная медицина
Преимущества для фармацевтической индустрии
- повышение эффективности и снижение цены нацеленных и продолжающихся разработок
- укорочение временных сроков и стоимости клинических испытаний
- возникновение новых генных целей для разработки препаратов
- дифференциация продуктов на рынке
сл.24
Персонализированная медицина
Преимущества для пациентов и врачей.
- высокая вероятность желаемого результата при применении препарата
- низкая вероятность нежелательных побочных эффектов
- отсутствие потерь времени из-за ошибок вследствие применения неэффективных лекарств
- превентивные стратегии
- фокусированная терапия
- снижение стоимости лечения
- улучшение здоровья и здравоохранения
сл. 25
Новая парадигма в терапии пациентов –с глобальной молекулярной точки зрения взглянуть на болезнь конкретного индивида.
миф или реальность
Молекулярный диагноз будет определять прогноз и терапию.
Персонализированная медицина опирается на утверждение, что заболевания гетерогенны, начиная от их причин и темпов прогрессирования до ответов на различные препараты. Заболевание каждого человека может быть уникальным и потому его нужно лечить как индивида. Если понимание молекулярных основ заболевания ограничено, мы полагаемся на неспецифические клинические признаки. Когда геномные методы совершенствуются, улучшается наша возможность разделить заболевание на составляющие части. Клинические фенотипы, считающиеся одним заболеванием, будут разделены новой геномной таксономией. Недавние открытия в молекулярной патологии рака подчеркнули важность и клиническую значимость различий к паттернах экспрессии генов для многих опухолей, включая лейкозы и рак молочной железы. В сердечно-сосудистой патологии идентифицирована генетическая гетерогенность для синдрома длинного QT, нарушения желудочковой деполяризации, при котором клинические признаки разнообразны: от отсутствия симптомов до внезапной смерти. Этиология этого синдрома заключается в мутациях в гене одного из по крайней мере четырех ионнных каналов (HERG, KVLQT1, SCN5A, KCNE1). Клиническое течение заболевания, уровень агрессии проводимой терапии и терапия собственного синдрома (блокатор натриевого канала, блокатор калиевого канала или бета-блокатор) сейчас определяются генетической этиологией заболевания.
Семейная гипертрофическая кардиомиопатия – еще один пример генетически гетерогенного заболевания ск линическим фенотпом вентрикулярной гипертрофии. Семейная кардиомиопатия – результат сболее чем 80 мутаций, каждая из которых влияет на экспрессию саркомерного белка сердечной мышцы. Разработаны мутация-специфичные прогнозы, требующие скринига для выявления тех, кому необходим более частый клинический мониторинг, терапевтическое вмешательство и семейный скрининг. Когда будет определена молекулярная структура других заболеваний, медицинская практика будет нацеленно диагностировать и лечить их.
Инновации в ведении пациентов.
Конечная цель персонализированной медицины – определить болезнь на молекулярном уровне, чтобы направить превентивные ресурсы и терапевтические агенты на правильную популяцию людей, пока они еще здоровы. Применение новых технологий и интеграция данных об индивиде приведет к новой парадигме в терапии пациентов, возникшей из стратегии, сейчас используемых в фармацевтических исследованиях - парадигме, которая, поначалу, позволит лечащим врачам посмотреть с глобальной молекулярной точки зрения на болезнь конкретного индивида. За время течения хронического заболевания с длинным продромальным периодом, стратегии исследования и разработки продукта персонализированной медицины имеют цель повлиять на течение болезни в шести основных точках (Рис. 3). Генетические варианты могут использоваться для предсказания предрасположенности пациента к варианту течения заболевания в будущем. Генетические варианты, связанные с повышенным и сниженным риском развития заболевания будут основой терапии, нацеленной по генотипу. Индивиды с высоким риском развития заболевания могут получать превентивную терапию или модифицировать стиль жизни. Превентивные терапии полностью приняты медицинским сообществом, что доказывает использование селективных модуляторов рецепторов эстрогенов для пациентов с риском рака груди и остеопороза, и использование статинов у пациентов с риском развития болезни коронарных артерий (ИБС). Индивиды с высоким риском должны периодически проводить скрининг ( с использованием белковых маркеров, аналитов сыворотки или молекулярных тестов) для преклинического выявления заболевания. Молекулярный эквивалент маммограммы и измерения АД более точно определить риск развития заболевания и прогноз. У пациентов в доклиническую и клиническую стадии заболевания, молекулярный диагноз, основанный на экспрессии генов или белков, может помочь в дифференциации различных заболеваний со сходными клиническими фенотипами. Набор молеклярных маркеров может определить прогноз (наклон кривой), проводя грань между агрессивной формой заболевания с быстрой прогрессией и медленной прогрессией, что определит подбор терапии. В выборе терапии решение основывается на молекулярных маркерах (фармакогеномика), которые коррелируют с безопасностью и эффективностью специфических компонентов. Наконец, мониторинг прогрессии заболевания после проведенной терапии может использовать многие молекулярные маркеры, разработанные для скрининга и фармации.
Бокс 1. Персонализированная медицина: преимущества для фармацевтической индустрии:
- повышение эффективности и снижение цены нацеленных и продолжающихся разработок
- укорочение временных сроков и стоимости клинических испытаний
- возникновение новых, генных целей для разработки препаратов
- дифференциация продуктов на рынке
Бокс 2. Персонализированная медицина: преимущества для пациентов и врачей.
- высокая вероятность желаемого результата при применении препарата
- низкая вероятность нежелательных побочных эффектов
- превентивные стратегии
- фокусированная терапия
- снижение стоимости лечения
- улучшение здоровья и здравоохранения
Рис. 1 Традиционный процесс разработки лекарств – линейный процесс с малой обратной связью от более поздних стадий развития всего процесса разработки препарата.
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Психологические аспекты подготовки к переговорам.
Открытие цели и ее подтверждение – белковый тест (высокоскоростной скрининг) – выбор препарата – преклинический этап – Фаза 1 – Фаза 2 – Фаза 3 – утверждение в комисси по препаратам – Фаза 4.
Персонализированная медицина: это происходит сейчас.
В течение последних лет наблюдаются серьезные достижения в технологии и рост геномной информации как побочного продукта проекта «Геном человека». Как результат,новые и инновационные маркеры заболеваний открываются с поразительной скоростью. На уровне ДНК, сейчас доступно более 350 генетических тестов (www.genetests.org) Хотя многие из этих тестов – для редких моногенных заболеваний, доступны некоторые тесты для более распространенных комплексных заболеваний. Примеры включают тест APOEдля пациентов с деменцией для дифференциального диагноза болезни Альцгеймера, и тест на Фактор V Лейдена на предрасположенность к венозному тромбозу. Более того, в литературе сообщается о большом числе предполагаемых генетических маркеров для комплексных заболеваний. Достижения технологии выявления однонуклеотидных замен дают возможность для широкомасштабных исследований генов-кандидатов. В самом деле, планируются исследования всего генома для обнаружения маркеров генетической предрасположенности к комплексным заболеваниям. В ближайшие 3-5 лет мы увидим взрыв информации в этой области, и развитие новых тестов для прогноза комплексных заболеваний.
Идентификация белковых и РНК-маркеров для скрининга, диагностики, прогноза и мониторинга также уже начались, чему способствуют достижения в выявлении транскриптов и в протеомике. Основные методы исследования, необходимые для выявления этих маркеров, требуют доступа к больным тканям в реальном времени. Так как ткани опухолей часто берутся на биопсию или удаляются, первой областью, которая выиграет от этих исследований, будет рак. Достижения в нашей способности классифицировать заболевания подробно описаны в работе Golub et al. (7). Эта знаковая статья иллюстрирует, как профили экспрессии генов могут использоваться для классификации двух типов родственных опухолей. Были определены типы экспрессии более 50 генов для точного разделения острого лимфобластного лейкоза и острого миелолейкоза. Сходный подход взят для идентификации кандидатов в прогностические маркеры меланомы. Clark et al. и Bittner et al. использовали профили транскриптов для сравнения метастазирующих и неметастазирующих клеточных линий меланомы. Как результат, было выявлено несколько генов, которые специфически дисрегулируются в метастазирующей опухоли и могут использоваться в терапии пациентов.
Признание, что пост-трансляционная модификация белков может быть важной детерминантой заболевания – один из фактов, движущих протеомную технологию к открытию молекулярных маркеров заболеваний. Технологии включают традиционный двухмерный гель-электрофорез, плюс более современная масс-спектроскопия. Протеомный анализ может использоваться в медицинской микробиологии, в которой может исследоваться весь протеом микроорганизма, или при таких заболеваниях, как ревматоидный артрит и болезни ЦНС, при которых доступны богатые белками жидкости с места заболевания (синовиальная жидкость и ликвор). Супернатанты клеточных линий или эксплантаты тканей опухолей уже используются в широкомасштабных исследованиях профилей экспрессии для выявления опухолевых маркеров. Page et al. (22) сравнили протеом нормальной человеческой luminal?, из которой в основном возникает рак молочной железы с протеомом миоэпителиальных клеток молочной железы. Они выявили 170 белков, экспрессия которых различалась в двух клеточных линиях. Эти экспреименты могут бросить свет на процесс онкогенеза и в конечном итоге найти применение в диагностике рака, дать маркеры для мониторинга.
Фармакогеномные тесты находят путь в практику в нескольких областях. Тестирование резистентности генотипов изолятов ВИЧ показало клиническую пригодность и обеспечивает путь к принятию терапевтического решения у пациентов, чей уровень РНК ВИЧ растет. Сейчас доступны тесты для выявления белка рецептора HER2 или копий последовательности HER2 для определения оправданности терапии херцептином или адриамицином, соответственно, у пациентов с раком груди (есть узел). Администрация по продуктам и препаратам США одобрила фармакогеномный продукт HER2 для терапии херцептином, создав важный прецедент для одобрения продуктов персонализированной медицины.
