Молекулярная медицина на пороге нового тысячелетия

Конец тысячелетия ознаменовался революционным событием в биологии и медицине, оценить все последствия которого пока не в состоянии даже специалисты. Расшифровка генома человека и получение первой линии эмбриональных стволовых клеток и последующие находки соматических стволовых клеток раскрыла большие перспективы в развитии науки о человеке и самых разнообразных отраслях человеческой деятельности, переведя в практическую область научно-технические разработки молекулярных основ биологии и медицины.

О последних разработках российских ученых в области молекулярной медицины рассказывает заместитель директора НИИ молекулярной медицины Московской медицинской академии им. И.М.Сеченова Алексей Алексеевич Иванов.

Прежде всего – несколько слов о том, чем, собственно, занимается молекулярная медицина.

Это направление науки изучает нормальное состояние человека и патологические нарушения на клеточно-молекулярном уровне: с точки зрения работы генов, функционирования белков-посредников, отвечающих за доставку информации к различным органам и системам нашего организма, взаимодействия клеток между собой.
Именно в этом и кроется отличие в подходах между молекулярной и «традиционной» медициной. Если так можно выразиться, то в последнем случае врач или ученый отслеживает не просто некий патологический процесс или его «физические проявления» (боль, зуд, изменение в состоянии органов и т.п.), но получает возможность оценить или даже предсказать «хронологию» цепочки молекулярных событий, строго соответствующих именно этому заболеванию. Скажем, мы знаем, что определенные белки вызывают вполне конкретные реакции – воспаление, смерть клеток, их размножение и т.п. Тогда мы можем представить конкретный патологический процесс, как процесс, вызванный гиперактивностью, скажем, 20 и угнетенностью 10 основных генов. Зная этих главных «игроков», можем точно определить фазу заболевания, скорость развития процесса и многое другое. А самое главное, можем вмешаться в этот процесс и, скажем, заблокировать синтез тех или иных молекул. Либо, наоборот, стимулировать активность нужного для выздоровления гена.

Конечно, в изложении это звучит гораздо проще, чем выглядит на деле. Возможно, неподготовленному человеку сложно будет понять практическую ценность научных разработок в этой области, поэтому остановимся на некоторых конкретных примерах.

Один из них касается так называемых биочиповых технологий, позволяющих на основе анализа ДНК или белков получать огромный объем информации практически о любых биологических объектах – будь то человек, животное, растение, пищевые продукты и так далее.

Если говорить об истории, то впервые термин «биочип» появился в середине 90-х годов прошлого века. Несмотря на сходство названия с компьютерными «микрочипами», реально этот предмет выглядит иначе – обычно это небольшая пластинка с нанесенными на нее в строгом порядке определенными фрагментами молекул белка или ДНК. Первые биочипы насчитывали всего несколько сотен таких молекул (их еще называют маркерами), однако по мере развития технологий их количество постепенно растет. На пластине размером в один квадратный сантиметр может быть размещено до миллиона таких молекул.

Имея на биочипе интересующие врача зонды, становится возможным найти в организме человека маркеры, соответствующие определенным вирусам, бактериям, раковым клеткам или генетическим нарушениям. Так, в Институте молекулярной биологии РАН разработан биочип, способный выявить все известные на сегодняшний день формы возбудителя туберкулеза, а также определить, чем нужно лечить конкретную форму туберкулеза. Ученые уже научились лечить некоторые генетические заболевания методом генной терапии, а поиск «поврежденных» генов человека посредством биочипов облегчит им эту задачу. При помощи белковых чипов, несущих молекулы, «чувствительные» к различным низкомолекулярным соединениям, уже в самое ближайшее время можно будет определять наличие широкого спектра лекарственных веществ, гормонов, наркотиков, ядов, пестицидов практически в любом анализируемом материале – будь то кровь, вода, пища или образец почвы. Определение типов вирусов иммунодефицита и гепатита также возможно при помощи биочипов.

Возможности, открывающиеся благодаря этой технологии в области диагностики, трудно переоценить. Представьте себе, например, такую привычную для каждого из нас процедуру, как общий анализ крови. Изучив данные лабораторного исследования, врач получает некий набор показателей, большинство из которых часто является общим для большого количества заболеваний. Биочипы позволяют практически со 100%-ой точностью определить наличие, скажем, дефектных генов или иных маркеров, характерных именно для данного заболевания.

Причем делается это, безусловно, не «на глазок». Для расшифровки данных, полученных с помощью «биочиповой» технологии, используются специально созданные компьютерные программы и оборудование, позволяющие сначала просканировать биочип, а затем интерпретировать заложенную в нем информацию.

Биочипы используются для самых разных целей. В медицине биочипы могут помочь за считанные часы обнаружить у больных лекарственно устойчивые формы туберкулеза, наличие той или иной мочеполовой инфекции и т.д. Биочипы уже находят применение для скрининга различных раковых заболеваний, оценки эффективности проводимой терапии, прогноза течения патологического процесса.

Исследователи в университетах и в фармакологических фирмах проводят на чипах одновременный анализ работы тысяч и десятков тысяч генов и сравнивают экспрессию этих генов в здоровых и в раковых клетках. Такие исследования помогают создавать новые лекарственные препараты и быстро выяснять, на какие звенья патологического процесса и каким образом эти новые лекарства действуют.

Как пример можно привести маркеры, позволяющие предсказать появление онкологического заболевания через определенное время. (Разработка осуществлена в лаборатории молекулярной генетики человека НИИ молекулярной медицины Московской медицинской академии им. И.М.Сеченова). Так, задолго до возникновения рака легких у курящих людей в крови могут появиться маркеры, сигнализирующие о возможном его развитии в будущем. Подобные маркеры выявлены и для рака простаты, когда клинически заболевание еще себя никак не проявляет. Самое интересное, что эти молекулярные маркеры можно определять в крови пациентов задолго до проведения дорогостоящих и болезненных процедур биопсии. Белки-маркеры многих форм рака не позволяют предсказать повышенный риск развития заболевания, но дают возможность оценить результаты лечения и своевременно заметить рецидив болезни. Таким образом, подобный метод анализа может быть использован для регулярного диспансерного обследования и мониторинга заболевания в послеоперационный период.

Биочипы являются также незаменимым инструментом для биологов, которые могут сразу, за один эксперимент, увидеть влияние различных факторов (лекарств, белков, питания) на работу десятков тысяч мишеней.

Стоит отметить, что, хотя лидером в этой области являются США, российским ученым, в частности из Института молекулярной биологии РАН, Института теоретической экспериментальной биофизики РАН и НИИ молекулярной медицины ММА им. И.М.Сеченова удалось разработать оригинальные технологии, на порядок удешевляющие себестоимость производства биочипов. Благодаря этому они оказались вполне доступны и отечественным организациям, занимающимися различными исследованиями в области биологической безопасности. К примеру, не так давно Росстандарт заказал около 100000 биочипов, предназначенных для исследований на предмет содержания генномодифицированных ингредиентов в продуктах питания – и уже есть сведения о том, что в некоторых видах сырокопченой колбасы одного очень уважаемого российского производителя «чистых» по этому показателю образцов не оказалось вообще… Но это к слову.

Очень интересные перспективы применения биочиповых технологий прослеживаются во многих других областях – например, в сфере мониторинга окружающей среды, биотехнологической и фармацевтической отрасли. Фактически можно говорить о том, что уже имеющиеся в нашем распоряжении технологии создания биочипов позволяют выполнить любую задачу, связанную с обнаружением на молекулярном уровне тех или иных биологических агентов в любой среде, начиная от воздуха и заканчивая человеческим организмом.

Исследования в этой области идут постоянно. К примеру, мы в НИИ молекулярной медицины не только сами активно занимаемся поиском генетических маркеров различных заболеваний (понятно, что чем больше эта база данных, тем более широкие возможности у нас открываются), но и постоянно обмениваемся полученными сведениями с нашими отечественными и зарубежными коллегами. В результате постепенно нарастает критическая масса информации, которая в обозримом будущем неизбежно позволит совершить очередной технологический прорыв в области диагностики.

Наука не стоит на месте, и, думаю, в перспективе можно будет говорить и об индивидуальном использовании биочипов – скажем, для мониторинга состояния здоровья конкретного человека, отслеживания его реакции на стресс или неблагоприятные внешние условия. Причем эта информация может быть не только пассивной (типа «увидел – принял к сведению»), но и активной. Например, начало какого-то патологического процесса или инфекции будет сразу фиксироваться соответствующим прибором со встроенным биочипом, после чего будет автоматически предлагаться необходимая коррекция или лечение. Примерно таким образом сегодня работают приборы контроля за сердечным ритмом у людей с кардиостимуляторами: при возникновении аритмии они автоматически посылают слабый электрический разряд, заставляющий сердце вернуться к работе в нормальном режиме.

Более того, есть уже прототипы таких «биочиповых» устройств. Так, специалисты из Нортвестернского университета в США разработали для американской армии биочип, обладающий совершенно неожиданными свойствами. Если на этот биочип попадает ДНК патогенных микробов, то фрагменты ДНК зондов с прикрепленными к ним микроскопическими частицами золота выстраиваются в ряд. Специальный биочип сигнализирует о наличии бактериальной угрозы после того, как золотые микрочастицы замыкают два электрода и между ними проходит электрический разряд.

Правда, справедливости ради стоит отметить, что о массовом использовании биочипов речи пока не идет. Скажем так, это технология, требующая определенных затрат со стороны тех организаций или лабораторий, которые намерены ее использовать. Помимо стоимости самих материалов и оборудования, следует проводить соответствующее обучение специалистов, чтобы они могли правильно оценить информацию, получаемую в ходе исследований. С другой стороны, еще несколько лет назад мы могли говорить только о теоретических возможностях использования биочипов в нашей стране для решения тех или иных задач – сегодня же это уже вопрос больше технический.

Роман Панюшин, пресс-центр ММА им. И.М.Сеченова
Интернет-журнал "Коммерческая биотехнология" http://www.cbio.ru/