Интерактомика и персонализированная фармакотерапия – настоящее и взгляд в будущее

Полный текст

СОКРАЩЕНИЯ:

ППМ – персонализированная и прецизионная медицина;

МФЗ – мультифакторные заболевания;

РНК – рибонуклеиновая кислота;

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота;

днРНК – длинные некодирующие РНК;

АСО – антисмысловые олигонуклеотиды;

кнРНК – короткие некодирующие РНК;

АТФ – аденозинтрифосфат;

ЭФР – эпидермальный фактор роста;

ББВ – белок-белковые взаимодействия.

ВВЕДЕНИЕ

В основе крупных достижений медицины и фармацевтики последних десятилетий лежат успехи фундаментальной биологии, в первую очередь, генетики, системной биологии и биоинформатики. Расшифровкой структуры гена человека успешно завершился международный мегапроект «Геном человека», а в 2010 г. стартовала новая уникальная международная научная программа с участием ученых нашей страны – «Протеом человека».

В молекулярной биологии возникло новое понятие – интерактом. Знания о молекулярном уровне морфофункциональной организации живых систем выделились в новую междисциплинарную область – интерактомика. Интерактомика как научная дисциплина направлена на изучение природы и последствий определенных взаимодействий между белками (протеомом) и генами (геномом), а также проекции этих взаимодействий на изменения течения метаболических процессов (метаболом) в клетках органов и тканей организма. Открытия в этой области естествознания расширяют научные представления о картине мира живых систем на уровне наноструктур и позволяют не только оценить, но и визуализировать непосредственные физические контакты между белками, а также их связи с генами.

Новая концепция здравоохранения. Внедрение в мировую медицинскую и фармацевтическую науку достижений геномики, протеомики и метаболомики позволило ученым и врачам-исследователям ведущих мировых научных центров проникнуть на молекулярный уровень здорового и больного организма [1, 2]. В патологии были обнаружены не известные ранее молекулярные звенья патологических процессов, которые выступают «нанопромоторами» развития болезней и, следовательно, являются потенциальными мишенями для прецизионной фармакотерапии. Этот научный прорыв в биомедицине катализировал в индустриально развитых странах коррекцию существующей (реактивной) и развитие новой парадигмы здравоохранения, широко известной как персонализированная и прецизионная медицина (рис. 1).

 

Рис. 1. Скрытый период развития болезни как комплексная мишень ППМ / Fig. 1. Latent period of disease development as a complex target of PPM

 

Под персонализацией понимают подход к оценке состояния здоровья, предусматривающий полногеномное секвенирование, анализ и оценку генетических особенностей конкретного индивидуума. На основе анализа генома с использованием биочипов высокого разрешения выявляются «гены предрасположенности» к тем или иным заболеваниям и определяется риск возникновения наиболее актуальной для данного человека патологии (стационарная геномика).

Дело в том, что многие дефектные (мутантные) гены человека вполне совместимы с его рождением и последующей жизнью, но при определенных неблагоприятных условиях способны выступить в качестве триггера первично хронических заболеваний (онкологические болезни, аутоиммунная патология, возрастные виды патологии и др.). Результаты персонализированной оценки молекулярно-генетического статуса являются информационной платформой для включения предиктивного этапа обследования человека.

Предикция (от лат. prediction – предсказывать) – научное прогнозирование заболевания с учетом выявленных факторов риска и состояния динамической геномики. Дело в том, что геном – это только программа индивидуального развития человека. Для реализации этой программы требуется сохранность строгой упорядоченности и устойчивости регуляторных взаимодействий между генами и их продуктами – белками, составляющими основу динамического протеома (набора специфических белков) и метаболома (метаболических путей – углеводного, жирового, белкового и других видов обмена веществ). На основании комплексной оценки состояния молекулярно-генетического гомеостаза диагностируется наличие или отсутствие ранней инициации патологических процессов (малигнизация, анафилаксия и др.), а также оценивается прогноз тяжести их течения.

Превентивная терапия предполагает фармакологическое воздействие на патологические процессы в скрытом (латентном) периоде болезни – до начала клинических проявлений патологии. Превенция (предупреждение) направлена на существенное снижение риска появления патологии и/или блокирование основных механизмов, которые стимулируют развитие заболеваний, детерминированных активацией «генов предрасположенности». Этот принцип составляет фундамент всей концепции ППМ. Именно в структуре превентивного сегмента персонализированной медицины заложены не только философия и альтернативная идеология, но и новая методология здравоохранения, суть которой заключается в управлении состоянием здоровья и лечением актуальных хронических заболеваний с помощью технологий предикции и превенции.

Для практической реализации превентивных технологий требуется выявление и расшифровка природы ранее неизвестных молекулярно-генетических объектов –потенциальных мишеней для превентивной фармакотерапии. Необходимо создание принципиально новых лекарственных средств, а также способов их таргетной (от англ. target – цель, мишень) доставки в клетки-мишени. Лекарства этого поколения должны не только избирательно поступать в клетки – объекты терапии, но и воздействовать (изолированно или комплексно) на определенные компоненты сигнальных внутриклеточных путей, а также влиять на молекулярные механизмы взаимодействия белков и генов.

Предполагается, что технологии фармакологической превенции на основе предиктивной диагностики будут создаваться в первую очередь для пациентов с первично хроническими заболеваниями (опухолевый рост, аутоиммунная патология, нейродегенеративные болезни и др.). В настоящее время в мире наибольшее внимание ученых сосредоточено на разработке и создании таргетных лекарственных средств, направленных на:

1) подавление процессов малигнизации клеток с профилактикой процессов метастазирования (для заболеваний опухолевой природы);

2) приостановку/блокаду аутоагрессии (для заболеваний аутоиммунной природы;

3) восстановление морфофункционального ресурса органов и тканей при заболеваниях лиц старческого возраста.

Персонализированная и прецизионная медицина сегодня

Одной из главных задач ППМ является раннее биомаркирование наличия патологии и прецизионно-целевое воздействие с помощью таргетных фармакологических средств на молекулярные структуры клеток, ответственные за сохранение здоровья и развитие заболевания [1].

Важнейшим достижением последних десяти лет в сфере персонализированной и прецизионной медицины стала идентификация биомаркеров и биопредикторов заболевания или типового патологического процесса. Биологический маркер (биомаркер) – это показатель, выявление и оценка которого отличается высокой точностью, надежностью и воспроизводимостью, что позволяет диагностировать степень состояния здоровья, риск или факт развития заболевания, а также стадию и прогноз последнего. Именно биомаркеры дали мощный толчок к разработке концепции антимишеневой (таргетной) терапии, обосновав необходимость создания особых лекарственных препаратов, способных, «разыскав» мишень, воздействовать на ключевые звенья патогенеза, прерывать или тормозить патологические процессы.

С развитием «омиксной» революции принципиально изменился и подход к разработке лекарственных препаратов новых поколений, основанных на принципах таргетирования мишеней. В качестве мишеней стали выбираться молекулы, специфические для опухолевых клеток конкретного вида онкологической патологии или для конкретного клона лимфоцитов, вовлеченных в процесс индукции и прогрессирования аутоиммунного процесса. В этой связи понятию фармакопревенции можно дать следующую интерпретацию: каждый человек – пациент или лицо из группы риска – реагирует на лекарственный препарат индивидуально, что требует в каждом конкретном случае разработки персонализированного протокола таргетной терапии во взаимосвязи с динамикой и изменениями природы мишеней лекарственного воздействия.

Генные технологии. Одним из самых значительных событий последних двух десятилетий в области естественных наук стало формирование новой дисциплины, родившейся на стыке молекулярной биологии, генной инженерии и практической медицины – генетической (генной) терапии. Под генотерапией понимают комплекс генноинженерных медицинских методов, направленных на внесение изменений в генетический аппарат клеток органов и тканей с целью лечения заболеваний. С помощью генной терапии исправляют дефекты, вызванные мутациями (стойкими изменениями) в структуре ДНК, а также поражением ДНК человека вирусами. Патологически измененные клетки могут быть модифицированы для последующего введения человеку непосредственно в организме (in vivo) или вне организма (ex vivo).

Векторная доставка генов в организме. Основным средством доставки генов являются векторы, созданные на основе вирусов. Разрабатываются системы доставки генов с помощью физических и химических методов (генной пушкой, магнетофекцией и др.), а также с помощью различных наночастиц из кремния, золота, фосфата кальция, липидов.

Генная терапия, проводимая непосредственно в организме, предполагает внедрение вектора, несущего нужный ген, путем инфузии прямо в целевой орган или в непосредственной близости от него. Она применяется при лечении наследственных заболеваний органов зрения, нервно-мышечных расстройств и гемофилии (рис. 2).

 

Рис. 2. Вирусные векторы для генной терапии, где: а – аденоассоциированные вирусные векторы, используются для генной терапии in vivo; Б – лентивирусные векторы используются для генной терапии exvivo / Fig. 2. Viral vectors for gene therapy: A) Аdeno-associated viral vectors used for gene therapy in vivo; B) Lentiviral vectors used for ex vivo gene therapy

 

Векторная трансфекция генов вне организма. При использовании терапии модифицированными вне организма клетками определенные клетки (например, гемопоэтические стволовые клетки костного мозга) отбирают у пациента, а затем в культуру этих клеток внедряют векторы, несущие терапевтические гены (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема лечения больного адренолейкодистрофией гемопоэтическими стволовыми клетками (ГСК), в которые произведена трансфекция вектором с нормальным геном ABCD1 / Fig. 3. Treatment regimen of a patient with adrenoleukodystrophy with hematopoietic stem cells (HSC) transfected with a vector with a normal ABCD1 gene

 

Размноженные генно-модифицированные клетки трансплантируют обратно пациенту. Таким способом лечат наследственные метаболические и иммунологические заболевания, а также некоторые онкологические болезни.

Технологии с использованием CRISPR. В начале нового столетия разработана методика CRISPR, позволяющая вносить точечные изменения в геном клеток любого организма. Техника включает, в основном, три молекулы: нуклеазу (Cas-9), направляющую РНК и матричную ДНК. Направляющая РНК «распознает» нужный участок геномной ДНК, связывается с ним по принципу комплементарности и нацеливает на него нуклеазу Cas-9, которая и расщепляет в этом локусе целевую нуклеиновую кислоту. Образовавшийся двунитевый разрыв репарируется при помощи синтезированной исследователями матричной ДНК (рис. 4).

 

Рис. 4. Система CRISPR: tracrRNA – трансактивирующая (направляющая) РНК; crRNA – трансдействующая РНК, связывающая с ДНК / Fig. 4. CRISPR system: tracrRNA – trans-activating (guide) RNA; crRNA – trans-acting RNA that binds to DNA

 

CRISPR способ репарации (гомологичная рекомбинация) ДНК используется при необходимости внести в геномную ДНК какие-либо новые последовательности. Подходы, основанные на вирусных векторах, не способны отредактировать конкретную последовательность в геноме, не затрагивают другие его области. Они обес- печивают случайную интеграцию своего генетического материала в геном. «Программируемые» Cas9-нуклеазы способны точно встраивать нужные генные конструкции в целевую нуклеиновую кислоту для активации/инактивации определенных генов, удаления нуклеотидных последовательностей, замены элементов и выполнять другие генноинженерные манипуляции.

Технологии, основанные на изменении активности некодирующих РНК. Полагали, что генетическая информация реализуется только посредством кодирующих транскриптов (РНК) с участием белков. С появлением и использованием современных методов секвенирования стало понятно, что большое число некодирующих транскриптов (нРНК) также могут выполнять регуляторные функции на уровне генома. Некодирующие транскрипты представлены короткими и длинными РНК [3].

Длинные некодирующие РНК. К длинным некодирующим РНК относят гетерогенную группу транскриптов, длина которых превышает 200 нуклеотидов. Полагают, что днРНК могут играть существенную роль в развитии многих первично хронических заболеваний (опухолевых, нейродегенеративных, сердечно-сосудистых, геномных и др.).

Возникновение заболеваний связывают как с активацией экспрессии днРНК, так и с уменьшением их содержания в клетке (рис. 5). Поэтому изучение этой научной проблемы происходит в двух направлениях. Разрабатываются новые подходы к генной терапии, направленные как на активацию экспрессии днРНК, так и на ингибирование их активности.

 

Рис. 5. Геннотерапевтические подходы, нацеленные на длинные некодирующие РНК: (A) – репрессия транскрипции с использованием механизма CRISPRi; (Б) – РНК-интерференция; (В) – антисмысловые олигонуклеотиды активируют РНКазу Н – зависимую деградацию РНК-мишени – за счет образования РНКДНК-дуплекса; (Д) – АСО препятствуют связыванию днРНК с репрессионным белковым комплексом PRC2 / Fig. 5. Gene therapy approaches aimed at long non-coding RNAs (lncRNAs): (A) – repression of transcription using the CRISPRi mechanism; (B) – RNA interference; (C) – antisense oligonucleotides (ASO) activate RNase H – dependent degradation of the target RNA through the formation of an RNA – DNA duplex; (D) – ASO interfere with the binding of lncRNA to the repression protein complex PRC2

 

К методам активации экспрессии генов можно отнести экспрессию с плазмидных и вирусных векторов, а также использование искусственных ген-специфичных транскрипционных активаторов. Для подавления экспрессии генов днРНК используют такие подходы, как РНК-интерференция, антисмысловые олигонуклеотиды, репрессия транскрипции и геномное редактирование. Ингибировать активность днРНК можно с помощью АСО или малых молекул.

Короткие некодирующие РНК. К коротким некодирующим РНК относят группу гетерогенных транскриптов, длина которых менее 200 нуклеотидов. В последние годы получены предварительные данные, на основании которых можно полагать, что профили кнРНК и днРНК участвуют в формировании эпигенетической памяти клеток о своей тканеспе- цифической принадлежности. При подтверждении этой гипотезы появится возможность конструировать комбинации некодирующих РНК, которые после доставки в стволовые клетки придадут им таргетно направленную дифференцировку в органах и тканях организма [4].

Молекулярно-прицельная терапия. Современная таргетная или «молекулярно-прицельная» терапия составляет основу медикаментозного лечения онкологических заболеваний. С помощью таких технологий блокируют рост раковых клеток, точно вмешиваясь в молекулярные структуры рецепторов, молекул-передатчиков, а также ферментов сигнальных путей, которые ответственны за рост, прогрессирование и распространение (метастазирование) опухолей.

Инактивация белков, стимуляторов опухолевого роста. Некоторые виды онкологических заболеваний костного мозга связаны с наличием в клетке мутантного гена, инициирующего продукцию стимулятора опухолевого роста фермента – тирозинкиназы. Был получен целый ряд соединений, способных инактивировать этот фермент за счет блокирования молекул АТФ (рис. 6).

 

Рис. 6. Механизм действия препарата «Гливек». CMLEnzyme – фермент, стимулирующий опухолевую трансформацию клеток костного мозга / Fig. 6. The mechanism of action of the drug «Glivec». CML Enzymeis an enzyme that stimulates tumor transformation of bone marrow cells

 

Соединение с рабочим названием STI571 уменьшало количество опухолевых клеток в образцах пораженного костного мозга до 98%. На его основе был создан препарат «Гливек» для лечения лейкоза, блокирующий активность фермента тирозинкиназы.

Блокирование рецепторов опухолевых клеток с помощью моноклональных антител. Прорывным открытием для таргетной терапии в онкологии было создание гибридом – клеток, продуцирующих идентичные (моноклональные) антитела (рис. 7). Сезар Мильштейн и Жорж Келлер удостоены Нобелевской премии (1984 г.) в номинации по физиологии и медицине за открытие и разработку этого метода.

 

Рис. 7. Схема получения моноклональных антител гибридомным методом / Fig. 7. Scheme of obtaining monoclonal antibodies by the hybridoma method

 

Моноклональные антитела. Появление гибридомной биотехнологии открыло перспективу создания таргетных блокаторов молекулярных структур опухолевого роста с помощью целевых (таргетных) антител. Так, при изучении молекулярных механизмов опухолевого роста, был обнаружен белковый фактор стимулятор развития опухолей, названный эпидермальным фактором роста.

Методами генной инженерии с использованием гибридомных технологий были получены гибридные антитела, которые блокируют рецепторы ЭФР на опухолевых клетках, что приводит к их гибели [5]. Созданный на этой основе препарат в ходе доклинических и клинических исследований показал высокую эффективность при раке молочной железы, а «Герцептин» стал одним из первых на фармацевтическом рынке таргетных препаратов для лечения рака (рис. 8).

 

Рис. 8. Молекула «Герцептина» является гуманизированным (очеловеченным) антителом (посередине): на 95% человеческим (справа) и на 5% мышиным (слева) / Fig. 8. The molecule «Herceptin» is a humanized (humanized) antibody (middle): 95% human (right) and 5% murine (left)

 

Биспецифичные антитела. Раковые клетки распознаются и уничтожаются при помощи иммунотерапии биспецифичными антителами, которые работают как переходники между молекулами антигена раковой клетки и Т-клеточным белком. В отличие от обычных антител они могут узнавать не одну, а сразу две или даже три цели, и связывать их. Одним из своих «хвостов» биспецифичное антитело присоединяется к антигену раковой клетки, а другим – к рецептору иммунной клетки. В результате активации Т-клетка выбрасывает вещества, которые вызывают программированную смерть (апоптоз) раковой клетки (рис. 9).

 

Рис. 9. Механизм работы биспецифичного антитела при охоте на клетку с мутантным белком p53 / Fig. 9. The mechanism of action of bispecific antibodies when hunting for a cell with a mutant p53 protein

 

Разрабатывается новый класс терапевтических антител, известный под названием «нанотела». Они состоят из мельчайших функциональных фрагментов однодоменных антител. Эти фармацевтические агенты обладают высокой специфичностью и низкой токсичностью, но при этом воздействуют на активные центры ферментов и рецепторов опухолей.

Разрушение опухолевых клеток с помощью модифицированных T-лимфоцитов. В современных центрах для лечения онкогематологических заболеваний применяют терапию генномодифицированными аутологичными T-клетками с химерными рецепторами антигена (chimericantigenreceptor T-cell, CAR-T) (рис. 10).

 

Рис. 10. Схема CAR-T-клеток. CAR – химерный антигенный рецептор к определенным опухолевым клеткам, представляющий из себя рекомбинантный белок, состоящий из 4 и более доменов / Fig. 10. Scheme of CAR-T cells. CAR - chimeric antigenic receptor for certain tumor cells, which is a recombinant protein consisting of 4 or more domains

 

Основной задачей химерных рецепторов является использование цитотоксического потенциала Т-лимфоцитов путем замены собой T-клеточного рецептора. Иммунные клетки, несущие химерные рецепторы, способны распо- знать в костном мозге опухолевые клетки по антигенам на их мембранах и вызвать разрушение (лизис) таких клеток.

Было выявлено, что клетки опухолей имеют единичные антигенные структуры (неоэпитоны), которые T-лимфоциты могут активно атаковать.

С внедрением новых методов секвенирования ДНК и РНК, с созданием баз данных появились возможности выявления неоэпитонов и создания технологий «обучения» нормальных Т-клетки способности атаковать и уничтожать опухолевые клетки (рис. 11).

 

Рис. 11. Компьютерная томография за неделю до инъекции лимфоцитов (слева) и через 22 месяца после нее (справа); стрелками показаны деградировавшие опухоли / Fig. 11. Computed tomography one week before the injection of lymphocytes (left) and 22 months after it (right); arrows indicate degraded tumors

 

Использование ДНК и РНК-вакцин. Разработка ДНК-вакцин и иных фармакоконструкций с иммунопревентивным или иммунопрофилактическим действием в течение последнего десятилетия является одним из перспективных биотехнологических направлений получения эффективных таргетных лекарственных препаратов [6]. Для выявления генов, которые экспрессируются только в опухолевых клетках, широко используются компьютерные технологии анализа нуклеотидных последовательностей. С помощью этих технологий были как обнаружены ранее выявленные другими методами гены, так и установлены новые специфичные белки, которые являются перспективными иммуногенами для создания противоопухолевой вакцины.

ДНК-вакцина – это искусственно синтезированная генно-инженерная конструкция, которая при введении в организм способна вызвать иммунную реакцию. После ДНК-вакцинации в клетках продуцируются белки патогенных факторов или опухолевых антигенов, т.е. в самой клетке организма формируется способность противостоять действию патогенов.

В перспективе эти вакцины могут стать предпочтительнее традиционных средств лечения опухолей. Опухолевый антиген не поступает извне, а синтезируется внутри самого организма, что формирует у пациентов комплексный ответ адаптивной (гуморальный и клеточный) и врожденной систем иммунной защиты. Кроме того, противораковые вакцины нацелены на специфические для опухоли мишени, которые иммунная система может научиться распознавать и атаковать, чтобы предотвратить рецидив рака.

Одна из наиболее успешных конструкций персонализированной противораковой вакцины была разработана с помощью вычислительной платформы MountSinai (OpenVax) в 2021 году. Она направлена на лечение пациентов с раком легких и мочевого пузыря, которые имеют склонность к рецидивированию. Для создания вакцины было проведено персональное секвенирование опухолевой ДНК и РНК пациентов, для которых в последующем создавалась вакцина. У каждого больного была выявлена специфическая для противоопухолевой терапии мишень и проведена проверка способности иммунной системы пациента (предикция) распознавать и атаковать раковые клетки. В последующем с помощью вычислительного конвейера MountSinaiбыли идентифицированы наиболее приоритетные (приоризированы) иммуногенные мишени для синтеза их природоподобных молекул и включения последних в состав таргетной вакцины. Результаты клинических исследований позволяют с большой вероятностью предполагать, что вакцина, полученная на основе OpenVax тестирования, будет эффективной для лечения глиобластом, рака предстательной железы и лейкозов.

мРНК-вакцины создаются на основе синтетической РНК и имеют целый ряд преимуществ перед ДНК-вакцинами. Многие вакцины получены на основе белка, но в случае с мРНК-вакцинами требуется «написать» лишь код для белка, а не синтезировать сам белок.

Прежде всего эти вакцины отличает повышенная безопасность: мРНК не способны встраиваться в геном и поэтому не несут риска мутационного изменения вследствие вставок последовательностей нуклеотидов – инсерционного мутагенеза. мРНК относительно быстро деградируют в клетке и какие-то побочные и опасные эффекты не должны сохраняться долго, в отличие от нежелательных эффектов ДНК-вакцин. мРНК-вектор значительно меньше ДНК-вектора, кодирующего такой же антиген, поэтому «анти-векторный» иммунитет не развивается, и такие вакцины можно применять многократно.

В мире проводятся многочисленные клинические исследования мРНК-вакцин против инфекционных заболеваний (SARS-CoV-2и др.), но основное направление в изучении мРНК-вакцин – лечение онкологических заболеваний. Подобно тому, как работает мРНК-вакцина против SARS-CoV-2, она действует против рака. мРНК-вакцина обучает иммунную систему распознавать определенный белок на поверхности раковых клеток.

В близкой перспективе будет создана мРНК-вакцина против меланомы. В настоящее время выявлены четыре специфических антигена для этой опухоли. Было установлено, что в абсолютном большинстве возникновение меланом влечет за собой появление у пациентов хотя бы одного из этих антигенов.

Персонализированная и прецизионная медицина завтрашнего дня

Биологические процессы в живых системах протекают с огромным количеством разнообразных взаимодействий между белками и генами. В интегративной форме непосредственные физические контакты между белками (белок-белковые взаимодействия) и непрямые взаимодействия генов в клетках являют собой биоинформационный образ, получивший в молекулярной биологии название интерактома (рис. 12).

 

Рис. 12. Интерактомы здоровых клеток / Fig. 12. Interactomes of healthy cells

 

В результате белок-белковых взаимодействий отдельные белки организуются в стабильные и динамично изменяющиеся белковые комплексы, которые связаны между собой. На уровне клеток функционируют сформированные взаимодействиями между белками – внутриклеточные информационные интерактомные сети.

Современные методы биоинформатики позволяют их воспроизвести в виде компьютерных образов. На визуализированной картине этой сети выделяют:

– «узлы», где происходят взаимодействия между ее компонентами;

– «ребра» – линии, связывающие узлы;

– «хабы», к которым сходится большое количество ребер.

Показано, что посредством интерактомных сетей контролируются практически все внутриклеточные метаболические процессы в здоровом организме. Вместе с тем, эти же сети под влиянием патогенных факторов трансформируются и начинают выполнять функцию молекулярных механизмов развития различных видов патологии.

Помимо динамических связей друг с другом белки через информационные связи с ДНК взаимодействуют с генами (рис. 13). Изучение внутренних геномных связей показало, что гены, ответственные за риск развития заболеваний («гены предрасположенности»), функционируют не изолировано, но в составе «генных сетей». В этих генных регуляторных ансамблях выделяют главные (центральные) и дополнительные (вспомогательные) гены, так называемые гены-модификаторы. В совокупности они организуются в функциональные молекулярно-генетические модули, которые являются опосредованными элементами интерактомной сети.

 

Рис. 13. Генорегуляторная сеть, отражающая взаимодействие белков с ДНК / Fig. 13. The gene-regulatory network reflecting the interaction of proteins with DNA

 

Таким образом, включение методов биоинформатики в изучение внутриклеточных молекулярных взаимодействий белков и генов позволило открыть в биомедицине принципиально новый подход для создания диагностических и лечебных технологий нового поколения и стало истоком сетевой персонализированной медицины.

Интерактомика как фундамент для совершенствования персонализированной медицины. В отличие от генома, интерактом человека расшифрован не более чем на 20%. Вместе с тем, даже неполная карта интерактома уже сегодня дает возможность получить уникальную информацию о состоянии здоровья организма.

Очевидно, что при наличии причинно-следственных связей между метаболическими процессами в клетках и изменениями ББВ, расстройства последних могут стать одним из важных факторов риска, а также триггером возникновения различных, в частности мультифакторных (полигенных, комплексных) заболеваний. Под МФЗ понимают болезни (рассеянный склероз, ревматоидный артрит, онкологические болезни и др.), возникновение которых тесно связывают с активацией молекулярно-генетических модулей заболеваний, вызванных нарушениями ББВ под воздействием неблагоприятных (патогенных) для организма средовых факторов (избыточная масса тела, гиподинамия, курение, стресс и др.).

Показано, что при МФЗ формируются свои «персональные» генные сети и «индивидуальные» функциональные молекулярно-генетические модули, которые взаимодействуют с другими подобными модулями болезней. В результате этих связей дефекты (мутации) нескольких различных генов могут вызывать схожие по механизму развития (патогенезу) заболевания (например, аутоиммунные болезни), а изменения (полиморфизмы) одного гена – ассоциироваться с разными видами полигенных заболеваний.

Диагностика нарушений ББВ с использованием современных методов биоинформатики позволяет выявлять среди интерактомных связей графические образы – молекулярные кластеры, свидетельствующие о наличие патологии, а также определить их принадлежность к тому или иному заболеванию. Белки, относящиеся к одной определенной болезни, образуют совокупность связанных между собой точек – подграф, называемых модулем заболевания. Мутации центральных генов модулей чаще ассоциированы с опухолевыми заболеваниями и ранней смертностью людей, а видоизменения (полиморфизмы) периферических генов функционального генетического модуля играют ведущую роль в фенотипической изменчивости и развитии у человека МФЗ.

Кластеры белков, участвующих в патогенезе различных заболеваний, на карте интерактома располагаются на разном удалении друг от друга и даже перекрываются. Расположение кластеров и расстояние между ними отражают сходство симптомов болезни, а также вероятность того, что оба заболевания возникнут у одного человека. Например, пары заболеваний с перекрывающимися модулями заболеваний – рассеянный склероз и ревматоидный артрит – имеют большое число сходных симптомов (синдромов) (рис. 14).

 

Рис. 14. Схематичное представление модулей трех заболеваний: рассеянного склероза (красный), ревматоидного артрита (желтый) и пероксисомные болезни (синий) / Fig. 14. Schematic representation of modules of three diseases: multiple sclerosis (red), rheumatoid arthritis (yellow) and peroxisomal diseases (blue)

 

Следовательно, на основе информации о взаимодействии компонентов сети на молекулярном и генетическом уровне появляется возможность выявления опосредованных генами причин болезней и ассоциированных с ними дефектов негенетического происхождения.

Применение интерактомных методов в диагностике и лечении не ограничивается соматическими заболеваниями. Он начинает применяться для сложных для понимания развития психотических болезней (шизофрения и др.) и пограничных не психотических расстройств (психопатия и др.) высшей нервной деятельности человека (рис. 15).

 

Рис. 15. Интерактом клетки пациента с шизофренией / Fig. 15. Interactome the cell of a patient with schizophrenia

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Персонализированная и прецизионная медицина все более интенсивно внедряется в практику здравоохранения не только в индустриально и научно продвинутых государствах, но и в развивающихся странах мира. Прогресс ППМ тесно связан с успехами в областях естествознания, которые привносят новые возможности для победы практических врачей над современными болезнями. В настоящее время большие надежды медиков и специалистов в области фармацевтики связаны с открытиями и инновациями на стыке медицины, фармацевтики, химии, молекулярной биологии и биоинформатики.

Рождение интерактомики – это знаковое событие, свидетельствующее о появлении нового горизонта совершенствования персонализированной медицины и подтверждающее плодотворность междисциплинарного научного подхода в науке о живых системах. Применение интерактомики в медицине открывает новые возможности в создании прорывных диагностических и лечебных технологий в самых разных областях этой научно-практической дисциплины, в том числе в психиатрии и неврологии. Идентификация ББВ, а не только белков, представляет большой интерес для фармацевтики, так как они могут рассматриваться как потенциальные мишени для создания новых типов лекарств, действующих не на отдельные пептидные молекулы, регуляторы клеточного цикла, а через механизмы, корригирующие молекулярные нарушения ББВ. Представляется, что на основе понимания природы интерактома здорового и больного организма возможно создание таргетных препаратов нового поколения, которые позволят восстанавливать и гармонизировать морфофункциональные связи молекулярно-генетических сетей для сохранения здоровья, а также предсказывать (предикция) и предотвращать (превенция) многие трудноизлечимые сегодня болезни.

Об авторах

Александр Иванович Тюкавин

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Автор, ответственный за переписку.
Email: alexander.tukavin@pharminnotech.com
SPIN-код: 8476-5366
Scopus Author ID: 6603645369
ResearcherId: V-6699-2017

д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой физиологии и патологии

Россия, Санкт-Петербург

Мария Александровна Студнева

Московский государственный университет пищевых производств Министерства науки и высшего образования РФ; EPMA (European Association for Predictive, Preventive and Personalized Medicine)

Email: maria.studneva@gmail.com

ассистент кафедры персонализированной медицины, прецизионной нутрициологии и биодизайна

Россия, Москва; Brussels

Сергей Викторович Сучков

Московский государственный университет пищевых производств Министерства науки и высшего образования РФ; Московский государственный медицинский стоматологический университет
им. А. И. Евдокимова; EPMA (European Association for Predictive, Preventive and Personalized Medicine)

Email: ssuchkov57@gmail.com

д-р мед. наук, профессор, руководитель кафедры персонализированной медицины, прецизионной нутрициологии и биодизайна, профессор кафедры клинической аллергологии и иммунологии

Россия, Москва; Москва; Brussels

Список литературы

Дополнительные файлы