CC BY
30
УДК:616-07-08:57
этапы диагностики, лечения и профилактики заболеваний с позиции многомерной биологии
Е.И. Ткаченко
Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова,
Санкт-Петербург, Россия
STAGES OF DIAGNOSTICS, TREATMENT AND PREVENTION OF DISEASES FROM THE POSITION OF HIGH DIMENSIONAL BIOLOGY
E.I.Tkachenko
North-West State Medical University named after I.I. Mechnikov, Saint-Petersburg, Russia
© Е.И. Ткаченко, 2012
Внедрение в клиническую практику последних достижений многомерной биологии позволяет оценивать не только структуру и функцию органов, но и применять новые предикторы молекулярного уровня, связанные с оценкой генома, метаболома, протеома, микробиома, осуществляющие возможность предиктивно-протективно-персонифицированного лечебно-диагностического подхода в медицине.
ключевые слова: диагностика, многомерная биология, микробиота
Introduction in clinical practice of the last achievements of high dimensional biology allows to estimate not only structure and function of internal organs, but also apply the new predictors of molecular level, which are connected with a genome, metabolome, proteome, and microbiome assessment and also carrying out possibility of predictive - protective the personified approach of treatments and diagnostics in medicine
Key words: diagnostics, high dimensional biology, microbiota.
Совершенствование национальной системы здравоохранения на основе последних научных достижений - актуальная социальная задача, решение которой направлено на оздоровление нации и увеличение периода активного долголетия. Решение данной проблемы связано с переходом от пассивно-охранительной к предупредительной модели здравоохранения. Наметился переход от «здравоохранения» к «здравосбере-жению» [1]. Такая постановка проблемы стала возможна благодаря последним достижениям биологических наук и реальным перспективам их использования с целью предупреждения, лечения и диагностики заболеваний [2].
Использование возможностей, так называемой многомерной биологии (high dimentional biology) с оценкой генома, протеома, транскрип-тома, метаболома, микробиома и применение современной математической и вычислительной техники для анализа биологических процессов на клеточном и молекулярном уровнях каждого индивидуума позволяет не только оценить структуру и функцию органа или системы, но и применить принципиально новые предикторы молекулярного уровня для профилактических и лечебно-диагностических целей (табл. 1).
Таким образом, применение многомерной биологии позволяет перейти от системы здравоохранения, ориентированной в первую очередь на лечение заболеваний, к более эффективной системе, основанной на изучении индивидуальных особенностей организма на молекулярном уровне, генетических и эпигенетических индикаторов скрытой патологии, начальных метаболических и функциональных изменений, качественных и количественных изменений микробиоты с целью их последующей молекулярной терапии и профилактики. Это составляет основу нового активно развивающегося научного направления: предиктивно-превентивной персонифицированной медицины. Особое место в данном подходе отводится изучению эндогенного микробиоценоза.
Современное понимание сущности здоровья человека должно исходить из представления о его единстве (гармонии) с окружающим миром и эндогенным микробиоценозом, микробиотой [3]. Человек представляет из себя сложное сим-биотическое сообщество (суперорганизм), где организм хозяина плюс микробиота осуществляют двойной контроль внутренней среды и регуляцию метаболического фенотипа: изме-
нение в экспрессии генов, транскрипционном профиле генома, метаболома и последующей регуляцией структуры и функции органов. Становится очевидным, что различные заболевания есть следствия различных нарушений сложных и многообразных взаимодействий генома, эпигенома и окружающей среды [4]. Поэтому, кроме мутационных изменений в линейной структуре хромосомной ДНК, последнее время все большее значение придается эпигенетическому репрограммированию клеточного генома и микробиома в ответ на различные воздействия, способные вызвать в конечном итоге функциональные и структурные изменения клеток и органов. В отличие от мутаций эпигеномные изменения возникают в результате биохимических реакций ДНК и гистон-метилирования, ацетилирования, фосфорили-рования и ряда других, которые не приводят к изменению структурной последовательности ДНК, но сохраняются на протяжении нескольких клеточных генераций. Предполагается, что эпигенетические изменения, возникшие в раннем онтогенезе, могут быть причиной многих хронических заболеваний.
В аспекте рассматриваемой проблемы особый интерес представляет эпигенетика микро-
биома, т.к. количество клеток и генетического материала различных представлений микробио-ты более чем на два порядка превышает таковые организма хозяина. При этом многие низкомолекулярные соединения представителей микро-биоты, прежде всего кишечного происхождения, то есть две трети всего ее пула, рассматриваются как важные эндогенные факторы, реализующие эпигеномные механизмы репрограммирований и посттрансляционных изменений, лежащих в основе патогенеза различных (не только инфекционных) заболеваний [4].
Изучение эпигеномики микроорганизмов следует признать перспективным научным направлением, а накопленные факты о микро-биоте человека, по нашему мнению, могут быть основой нового учения - клинической микро-биотологии, принципы структурно-функциональной организации которой представлены в таблице 2.
Таким образом, использование возможностей современной многомерной биологии изменяет алгоритм диагностического процесса за счет дополнительного включения в него принципиально новых предикторов молекулярного уровня. Этапы такого лечебно-диагностического процесса представлены в таблице 3.
Таблица 1
многомерная биология (high dimentional biology) как основа медицины XXI века
Геномика (ДНК) Идентификация генов и определение предрасположенности и метаболического профиля болезней
Протеомика Идентификация и количественное определение всех индивидуальных белков различных тканей и клеток
Транскриптомика (РНК) Идентификация матричных РНК, кодирующих белки, определение каждой индивидуальной мРНК и закономерности экспрессии генов, кодирующих белки. Определение транскрипционного профиля болезней
РНомика Идентификация всех некодирующих РНК, определение количества каждой индивидуальной нкРНК, закономерности экспрессии всех нкРНК, регуляция экспрессии генов на уровне трансляции
Метаболомика Идентификация и определение количества всех синтезируемых метаболитов; определение направленности изменения метаболизма
Биоинформатика Использование математической и вычислительной техники для анализа биологических процессов на клточном и молекулярном уровнях
Цепь диагностических и лечебных событий Гены - ДНК - РНК - белки-метаболиты - биохимические и физиологические процессы - болезни - диагностика - индивидуальное лечение и профилактика
Таблица 2
11 принципов структурно-функциональной организации эндогенного микробиоценоза
(микробиоты) человека
1. Человек с общебиологических позиций - надорганизм, включающий геном, метаболом и проте-ом мокроорганизмов, взаимозависимый от генотипа, возраста, пола, диеты, внешних воздействий
и осуществляющий двойной контроль внутренней среды.
2. Микробиота распределена в виде микробных сообществ локусов и существует в виде планктона и биопленок, прикрепленных к стенке органа в пристеночном слое муцина.
3. Микробы в биопленке сбалансированы по видовому составу и функциональному распределению. Их социальное поведение (quorum sensing), отличное от индивидуального, обусловлено единой генетической системой сообщества,определяющей их трофические, метаболические и регуляторные связи между собой и с организмом хозяина.
4. «Парацитология биопленки» - структуры, похожей на орган, обеспечивает стабильное функционирование всего организма и его здоровья, участие в патогенезе и саногенезе различных заболеваний.
5. Метаболические и регуляторные взаимосвязи хозяина и микробиоты (синергизм, мутуализм, комменсализм, синтрофия, паразитизм, конкуренция) - единое целое.
6. Микробиота человека наследственно обусловлена, генетически детерминирована, индивидуальна, специфична.
7. Микроорганизмы биопленок и пробиотиков биологически несовместимы, но пробиотики влияют на «социальное поведение» микробиоты (конкуренция за рецепторы, метаболиты, выделение энтероцинов, снижение рН и др).
7. Микробиота - первичный защитный барьер организма.
9. Инфекционные процессы полимикробны, протекают с участием представителей микробиоты и механизма транслокации микроорганизмов.
10. Метаболиты микроорганизмов - фактор здоровья и долголетия (плазмалоген
из мембраны анаэробов как регулятор обмена холестерина, липидов окисления ПЖК, витамины и др.).
11. Принципы лечения заболеваний: 1) коррекция микробиоты (про-, пре-, сим-, син-, метабио-тики); 2) прменение агонистов (антагонистов) рецепторов; 3) коррекция метаболического профиля заболевания
Таблица 3
Единая многомерная биология. Этапы диагностики, лечения и профилактики заболеваний
I. определение предрасположенности к заболеваниям:
• Определение мутаций в генах в доклиническую стадию
• Определение меркерных генов в патологии (Геномика человека и его микробиоты)
II. А. определение биологических индикаторов заболеваний:
• Определение эпигенетического репрограммирования клеточного генома (Эпигеномика)
• Определение для каждого заболевания качественного и количественного профиля всех синтезированных РНК, синтеза кодируемых ими белков, а также рибосомальных транспортных и других РНК
• Определение микроРНК (19-22 нуклеотида, комплиментарных участку м-РНК, подлежащему инактивации) (Транскриптомика, РНомика)
Б. определение специфических нозологических профилей метаболизма:
• Определение белков, соотношение концентраций метаболитов, связанных с энергетикой, метаболизмом, структурой и функцией органов
III. изучение состояния эндогенного микробиоценоза и его регуляторных влияний ( микробиомика)
IV. определение состояния структуры и функции органов (традиционное клинико-лабораторное обследование)
V. диагностика:
• Построение многомерной компьютерной модели болезни на основе адекватного для различных болезней комплекса маркеров с нужными характеристиками (чувствительность, специфичность, предсказательная способность)
VI. Лечение (молекулярная терапия)
VII. профилактика
Данный подход составляет основу новой активной медицинской стратегии, так называемой предиктивно-превентивно-персонифициро-ванной медицины, направленной на индивидуальное «здравосбережение» и предупреждение болезней. Он изменяет и модель взаимоотношений «врач - пациент» на модель «врач -консультант - здоровый человек» [5]. Это позволяет сформировать эффективную систему диспансеризации и коренным образом улучшить всю систему здравоохранения.
литература
1. Мезенцев, СА. Пути обновления (как оздоровить человека, медицину и жизнь общества)/ С.А. Мезенцев, С.А. Никифоров, А.И. Иванов. -М., 2008 - 420 с.
2. Ткаченко, Е.И. Гастроэнтерология XXI века с позиций многомерной биологии / Е.И. Тка-
ченко, Л.С. Орешко, С.И. Ситкин // Гастроэнтерология. - 2012. - № 2/3. - С. 2-5.
3. Ткаченко, Е.И. Новое учение - клиническая микробиотология. Одиннадцать принципов структурно-функциональной организации микробиоты / Е.И. Ткаченко //Донозология и здоровый образ жизни. - 2011. - № 2 (9). -С. 17-21.
4. Шендеров, Б.А. Индигенная микробио-та и эпигеномика человека // Молекулярные основы клинической медицины : материалы II Российского конгресса. 18-20 мая 2012 г. / Б.А. Шендеров. - 2012. - С. 86-88.
5. Бодрова, Т. Медицинская наука и практическое здравоохранение завтра; возможности превентивно-профилактического направления // Молекулярные основы клинической медицины. материалы II Российского конгресса. 18-20 мая 2012 г. / Т. Бодрова [и др.]. - 2012. - С. 34-35.
Тел.: 8 (812) 543-95-38 e-mail: [email protected]
