Российские ученые создали ключ для персонализированной медицины
Сотрудники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), Федерального научно-клинического центра (ФНКЦ) физико-химической медицины и Московского физико-технического института (МФТИ) разработали программу, которая позволяет подбирать индивидуальные методы лечения в зависимости от метагенома организма.
В качестве основного инструмента исследователи использовали компьютерный алгоритм, который получил название MetaFast. Благодаря этой разработке стало возможным считывать и распознавать метагеном объекта и выстраивать для него определенные персонализированные методы лечения, а также исследовать ранее неизвестные организмы.
У каждого человека есть геном — особая последовательность генов, в соответствии с которой развивается индивид. Однако любой живой организм содержит еще одну последовательность генов, которая называется «метагеном» — это совокупность ДНК самых различных микроорганизмов, обитающих в одной среде: бактерий, грибов, вирусов. Метагеном часто является индикатором различных заболеваний и предрасположенности к ним.
Программный инструмент под названием MetaFast, разработанный учеными, позволяет провести быстрый сравнительный анализ большого количества метагеномов. Исследователи уже предложили несколько вариантов применения новой программы на практике. Так, сравнив при помощи алгоритма микрофлору здорового человека с микрофлорой больного, можно быстро выявить ранее неизвестные патогенные организмы, а также их штаммы, что поможет в разработке средств персонализированной медицины.
— При исследовании микрофлоры кишечника пациентов могут быть выявлены микроорганизмы, ассоциируемые с каким-либо заболеванием, например с диабетом, или предрасположенностью к нему, — рассказал главный разработчик алгоритма Владимир Ульянцев, сотрудник Международной лаборатории «Компьютерные технологии» Университета ИТМО. — А это уже предпосылки для применения персонализированной медицины и создания новых лекарств. Оперируя результатами работы программы, биологи могут сделать выводы о том, в каком направлении двигаться, поскольку алгоритм позволяет исследовать среды, о которых мы еще ничего не знаем.
В мире уже накоплено гигантское количество экспериментальных данных по различным метагеномам. Благодаря тому что стоимость извлечения ДНК уменьшается, а чувствительность оборудования увеличивается, объемы этих данных продолжают расти экспоненциально. Но при этом большая часть исследований не доведена до конца. Причина — в существующих технологиях. С одной стороны, ученые могут частично собрать метагеном, но на сборку «мозаики» уходит колоссальное количество времени. С другой стороны, они могут сравнить отдельные кусочки генома с уже известными базами ДНК, в которых, однако, приведено очень ограниченное число бактерий, а вирусов практически нет.
— Разработанный подход позволяет сделать сразу две вещи: найти все возможные генетические последовательности, даже если о них не было известно до этого (программа собирает их из кусочков геномных прочтений), и одновременно выделить метагеномные закономерности, которые отличают одних пациентов от других, — отметил Дмитрий Алексеев, руководитель проекта, заведующий лабораторией сложных биологических систем МФТИ. — Наш подход позволяет работать с абсолютно неизвестным материалом и получать результаты. Программа испытывалась на самых различных средах, в том числе на средах с большим количеством вирусов. Даже единичные ДНК программа находит и собирает.
С помощью программы можно проводить нецелевой экспресс-анализ маркеров, указывающих на наличие каких-либо заболеваний. Затем, используя целевые методики, такие как ПЦР (полимеразная цепная реакция — способ многократного копирования фрагментов ДНК), подтверждать и корректировать результаты. По словам ученых, программа потенциально способна сократить сроки создания новых лекарств в несколько раз.
Роман Фишман, научный редактор журнала «Популярная механика», считает данное направление разработок перспективным и многообещающим.
— Такие работы — первые, пока робкие, но очень важные шаги в сторону будущей персонализированной медицины. В сторону методов и технологий, которые позволят медикам лечить пациентов не с помощью «усредненных», «среднестатистических» подходов, а с учетом их личной индивидуальности, наследственности, предыстории, — говорит Фишман. — Возможно, уже вскоре это приведет к новому скачку в здоровье и продолжительности жизни населения, сравнимому с теми переменами, которые произошли после массового распространения доказательной медицины и иммунизации.
