Рустам Гильфанов: как генетические технологии трансформируют медицину

Персонализированная медицина совсем недавно (подумать только — каких-то 50–70 лет назад) была уделом писателей-фантастов и ученых-визионеров.

С развитием генетических технологий индивидуальный подход к диагностике и терапии многих наследственных тяжелых и неизлечимых заболеваний стал если не рутиной, то решением. Это касается онкологии, целого ряда аутоиммунных заболеваний, а также многих орфанных, или редких, патологий. И хотя подобные разработки зачастую отличаются высокой (порой — беспрецедентно) стоимостью, недоступными их называть уже не приходится.

Геномика и молекулярная генетика сформировали базу для полной перестройки здравоохранения в соответствии с концепцией «4П»¹ ​(предиктивная, персонализированная, превентивная, партисипативная медицина), где помимо персонализации, важную роль играет предикативность.

Статья по теме

Эпидемия аутоиммунных заболеваний. Эксперты – о сложившейся ситуации

Определение наследственной предрасположенности к заболеванию еще до зачатия или предупреждение развития болезни на этапе беременности, учет знаний об особенностях генов конкретного человека и выбор соответствующего образа жизни для долголетия.

Этот рынок растет, и по данным маркетингового агентства Mordor Intelligence, в ближайшую пятилетку наиболее интенсивно подобные услуги будут расти в азиатском регионе; чуть медленнее, но тоже с высоким спросом — в Европе и Северной Америке. Россия, Африка и Южная Америка — среди отстающих.²

Все это, строго говоря, позволит совершить революцию в медицине, сместив акцент на сохранении здоровья, а не лечении больных.

Для пациентов с орфанными (редкими) и онкологическими заболеваниями генная терапия уже сегодня — возможность излечения. Если учесть число идущих по всему миру исследований, то не остается сомнений — в обозримом будущем этот путь станет безальтернативным и для других неинфекционных хронических болезней, вносящих серьезный вклад в преждевременную инвалидизацию, смертность и ощутимо влияющих на качество жизни человека.

Рассказываю о ключевых генетических технологиях в медицине, которые уже вошли в клиническую практику с доказанной эффективностью, а также о разработках, вышедших на финальные стадии испытаний.

Жемчужина российской офтальмологии. 34 года петербургскому филиалу МНТК Подробнее

Генетическое тестирование для определения «слабого звена» раковой опухоли

В диагностике онкологических заболеваний переломный момент случился в конце 1990-х годов, когда генетическая информация о мутациях начала служить отправной точкой для выбора таргетной терапии.³

Каждой опухоли присущи определенные мутации, условно говоря, «поломки» в генах, именно на них удалось ориентировать эффект лекарств. Например, знание о мутации BRCA1/2 позволило не только таргетировать лечение рака молочной железы (РМЖ), но и предвосхитить его появление у родных пациентки. Накопленный опыт конвертировался в список наиболее распространенных нарушений — как приобретенных, так и наследственных, а молекулярно-генетическое тестирование в этих случаях вошло во все гайдлайны с обязательным статусом, перевернув ход развития фарминдустрии.

От разработки препаратов, ориентированных на конкретные нозологии, постепенно происходит переход к концепции мишени. Например, транслокация гена NTRK встречается в разных опухолях, но влиять на нее может одно и то же лекарство. И пусть эта мутация встречается нечасто (лишь 1% от общего количества новообразований), но с ее учетом можно подобрать наиболее эффективную терапию с ответом в 80% случаев.⁴

Сперва для диагностики «поломок» в опухолевой ткани и крови применялись только малопроизводительные методы, позволяющие изучить лишь небольшие участки ДНК — известные с 1970–1980-х годов полимеразная цепная реакция (ПЦР) и секвенирование по Сэнгеру, появившаяся в 1990-е флуоресцентная гибридизация in situ (FISH). Польза от этих инструментов была очевидная — пациентам с солидными опухолями удалось избежать не нужных и не подходящих им лекарственных схем и добиться значимого клинического эффекта, больным онкогематологического профиля — получить альтернативу дорогостоящих процедур, вроде трансплантации костного мозга.

Статья по теме

Похитители здоровья. Как контрафактное топливо влияет на здоровье

Сегодня уже предпринимаются попытки использования генетического тестирования для уточнения диагноза и даже прогнозов эффективности лечения.

Еще один прорыв случился в 2010-е годы, когда стала доступной технология Next Generation Sequencing (NGS), позволяющая одновременно проверять поломки во всем геноме. Классическая иллюстрация производительности метода такова: проект «Геном человека», описывающий 3 млрд нуклеотидов ДНК стандартными инструментами, занял более 10 лет и потребовал $3 млрд из бюджета США, тогда как NGS-секвенатору под силу выявить всю последовательно генома меньше, чем за год и расценки тоже несопоставимо малы — от несколько тысяч долларов.⁵

Итак, скорость (несколько дней против недель и месяцев) и экономия за счет эффекта масштаба — первые преимущества. Но тут важна еще и возможность получить больше данных из меньшего количества материала, например, из плазмы крови. В этих случаях NGS становится фактически единственным подходящим методом. Так называемая жидкостная биопсия с помощью NGS дате представление о возможных мутациях до 400 генов и с 2020 года одобрена при немелкоклеточном раке легкого и метастатическом кастрационно-резистентном раке предстательной железы.

Кроме того, с помощью NGS можно проводить популяционные скрининги на выявление наследственных мутаций того же рака молочной железы. Как предполагают ученые, в странах с высоким и средним доходом проще и экономнее тестировать всех женщин старше 30 лет, даже без анамнеза в семье, а уже для носителей мутации проводить дополнительную лучевую диагностику.⁶

Проблема с NGS в онкологии пока одна — метод дает слишком много данных, и пока нет понимания, как ее использовать наверняка, особенно, если человек здоров. Однако перспективы внедрения геномной информации в клинический процесс не так далеки, как кажется, — многие страны, включая Россию, уже задумываются о сборе и хранении больших генетических данных, создают специальные научные центры и принимают стратегии развития генетических технологий.⁷

Прорыв в МРТ. В Петербурге создали беспроводной сканер молочных желез Подробнее

Неинвазивное пренатальное тестирование (НИПТ)

Попытки выявить риск развития различных врожденных генетических заболеваний (наиболее известное — Синдром Дауна) на этапе беременности предпринимались и до появления NGS, но только этот метод позволил сделать процедуру максимально безопасной — за счет неинвазивности. Мутации выявляются из циркулирующей в крови матери ДНК плода, начиная с десятой недели беременности. И для этого достаточно лишь 0,01 мл материнской плазмы.⁸

Человеком, в корне изменившим подход к диагностике синдрома Дауна на стадии эмбриона, стал профессор Китайского университета в Гонконге Деннис Ло: на рубеже XX–XXI вв. он определил, как выявить разницу между материнской ДНК и ДНК эмбриона в крови беременных женщин — и это открыло дорогу к бурному развитию НИПТ без риска для матери и будущего ребенка.

Статья по теме

Колено из титана. Петербуржцу поставили напечатанный на 3D-принтере сустав

Среди показаний для НИПТ в первую очередь наличие случаев хромосомных аномалий в семье матери или отца. И хотя вероятность такой встречи мала, исследование все равно остается распространенным, хотя, например, в России, да и во многих других странах, не покрывается полисом ОМС (за исключением некоторых региональных программ).

В то же время существует еще один генетический тест, позволяющий определить риски задолго до беременности. Тест ориентирован на мутации в генах, связанные с такими заболеваниями как муковисцидоз, спинальная мышечная атрофия (СМА) и другие — всего порядка 24 наследственных болезней. Одно из австралийских исследований показало, что носителями мутации в гене CFTR (муковисцидоз) чаще являются пары, попадающие на лечение по поводу бесплодия⁹. А в некоторых странах такой скрининг стал предлагать всем парам, обращающимся по поводу ЭКО, несмотря на этическую сложность такого решения.¹⁰

Пока профессиональное сообщество обсуждает риск нанесения социокультурного вреда, который влечет массовый преконцепционный скрининг, IT-индустрия двигается в сторону оптимизации постановки диагноза у детей. В тех случаях, когда любое промедление жизненно опасно, для NGS могут потребоваться дни. Если в запасе максимум сутки, ученые предлагают применять искусственный интеллект. Расшифрованный, но не описанный NGS, геном ИИ «видит» быстрее. В недавнем исследовании, сопоставляя данные с предыдущими случаями и статистикой, ИИ смог выявить мутировавший ген в 92% случаев. При том, что другие методы добиваются точности лишь в 60%.¹¹

В режиме 24/7. Главврач Мариинской больницы Петербурга о работе в пандемию Подробнее

Генетическая терапия орфанных заболеваний

В международном научном сообществе заговорили всерьез о генной терапии в 1970-е годы — после выхода статьи исследователей Теодора Фридманна и Ричарда Роблина в журнале Science. В то время не было всего инструментария для определения мутаций, потому Фридманн и Роблин призывали с осторожностью отнестись к генной терапии.¹² Однако случилось все ровно наоборот — изыскания продолжились, а в 1990-е начались первые клинические испытания генотерапевтических методов в отношении тяжелых и редких болезней.

Случившаяся в результате одного из таких КИ смерть пациента приостановила дальнейшие разработки (в США даже заморозили профильную госпрограмму), пока в 2003 году Китай не перезапустил этот процесс в отношении генотерапии рака головы и шеи.¹³ И хотя этот генетический продукт, суть которого — влияние на «поломанные» гены, не получил дальнейшего развития, компании-разработчики по всему миру увидели, наконец, «зеленый свет» для своих идей.

Так генотерапевтические продукты стали появляться в разных медицинских направлениях. В 2018-м, например, утвердили первый такой препарат на основе вирусного вектора, в офтальмологии. Продукт под названием Luxturna ориентирован на мутации в гене RPE65, провоцирующие слепоту.

В онкогематологии к настоящему моменту существует уже целый пул разработок, объединенных технологией CAR-T, первой из которых стал Kymriah, одобренный в США в 2017 году. Метод основан на генетической модификации Т-лимфоцитов пациента с кодировкой антигенного рецептора, нацеленного на опухолевые клетки. В мире уже используются четыре продукта, есть опыт применения собственных наработок и в России.¹⁴ Особого внимания требует Золгенсма — препарат, способный излечить СМА в результате одной инъекции, был одобрен в США в 2019 году. Считается самым дорогим в мире препаратом, флакон которого стоит порядка $2,1 млн.

Статья по теме

Легкая мишень. Коронавирус обостряет аутоиммунные заболевания

К 2025 году, по прогнозам FDA, ежегодно процедуру одобрения будут проходить 10–20 генотерапевтических продуктов.¹⁵ Основания у этой надежды вполне реальные —  прежде всего, нужно упомянуть, что уже прямо сейчас есть немало КИ на высоких стадиях. Например, болезнь Гирке (гликогеноз) долгие годы не имела никакого лечения, помимо регулярного приема кукурузного крахмала.

Также с помощью вируса и в результате однократной инъекции в печень доставляется копия нового гена и «перезапускает» систему контроля глюкозы в крови. Первые позитивные результаты КИ опубликованы в 2019 году.¹⁶ Препарат уже получил статус орфанного лекарства в США и Великобритании, а III фазу КИ планируется завершить в декабре нынешнего года.¹⁷

Параллельно мы наблюдаем расцвет технологии редактирования генома CRISPR. Как я уже писал ранее, разработчики метода удостоились в 2020 году Нобелевской премии. Метод предполагает «разрезание» ДНК с помощью Cas9-нуклеазы. Потом концы этого «разреза» соединяются так, чтобы исключить дефект. Дальше всех с точки зрения интеграции CRISPR в клиническую практику сотрудникам американского Научно-исследовательского института Сары Кэннон — летом 2019 года там впервые применили такой вид лечения на пациентке с серповидно-клеточной анемии.

Эта болезнь (мутация гена бета-глобина) предполагает деформацию эритроцитов, утраты ими гибкости и эластичности, как следствие, катастрофическое падение уровня гемоглобина в крови.¹⁸ Через год после терапии врачи пациентки отчитывались о качественных изменениях в жизни пациентки — уровень гемоглобина повысился и она не нуждалась в столь частых госпитализациях как раньше. В марте 2021 года подобные испытания начались сразу в нескольких центрах в США.¹⁹

Медные люди. Как петербурженка борется с редким генетическим заболеванием Подробнее

Этиология COVID-19

Борьба с пандемией COVID-19 — создание тест-систем, вакцин и лекарств — не может обойтись без генетики. ВОЗ в начале 2021 года обозначила важность накопления геномных данных о SARS-CoV-2 и секвенирование вируса.²⁰ Для ускорения этого процесса ученые, как и в случае с диагностикой заболеваний, предлагают использовать ИИ.²¹

Параллельно ведутся исследования мутаций, которые могут сделать их носителя уязвимыми к коронавирусу. Международный консорциум COVID-19 Host Genetics Initiative обнаружил 40 «генов-кандидатов», определяющих уязвимость человека к вирусу. Ученые проанализировали геномы около 50 тысяч человек, в том числе по-разному переносивших заболевание. Выделен был ген TYK2 и его вариации, которые в принципе могут повышать восприимчивость к вирусам, бактериям и грибкам. Еще одна потенциально опасная «поломка» — в гене DPP9. Она же, кстати, несет риск возникновения фиброза легких.²²

Французские ученые тоже обнаружили среди госпитализированных в критическом состоянии пациентов определенный набор генов, а особая экспрессия наблюдалась у гена ADAM9. Все попавшие в выборку люди не относились к группе риска в общепринятом понимании — не имели хронических заболеваний и боли моложе 50 лет. Исследование показывает, что этот ген может не только предопределять более тяжелое течение COVID-19, но и стать потенциальной мишенью для таргетной терапии.²³

Пока что такие «ковидные» исследования скорее носят зондирующий характер, нежели находят реальное применение здесь и сейчас. С помощью самых передовых технологий мы изучаем коронавирус дотошнее, чем любой другой вирус в истории — и в перспективе ближайшего десятилетия это откроет перед нами множество возможностей для победы над десятком инфекционных заболеваний. За счет чего? За счет того, что мы изучим ход вирусной эволюции в режиме онлайн — и будем знать, к чему готовиться.

«Сначала не верил в COVID-19». Петербургские студенты о борьбе с инфекцией Подробнее

Генетические технологии: сегодня и завтра

Как скоро описанные мной технологии станут частью повседневности по всему миру? Ответ на этот вопрос напрямую зависит от того, как скоро удастся повысить их доступность и, соответственно, понизить стоимость. Пандемия коронавируса, когда новые штаммы вируса выявляются оперативнее в тех странах, где технология секвенирования генома представлена шире, наглядно продемонстрировала, насколько этот — сугубо экономический — фактор важен.

Путь к распространению и удешевлению генетических технологий лежит через развитие технологий информационных: большие данные, доступные научному и медицинскому сообществу по всему миру, позволят не тратить время и деньги дважды на одни и те же исследования или разработку одних и тех же методик. И если значимость больших данных сегодня очевидно уже почти каждому ученому, то разговор об их открытости — ключевой для ближайших десятилетий.

Об Авторе

Рустам Гильфанов - IT-бизнесмен, сооснователь крупной IT-компании, венчурный партнер фонда LongeVC.

Гильфанов Рустам заявил, что прекращает заниматься операционной деятельностью и планирует сосредоточиться на инвестировании в наиболее интересные для него IT-проекты.

ВИРастить в криокамере. Как сегодня работает институт, выстоявший в блокаду Подробнее

Источники:

1. Arthur L. Beaudet, 1999, Making Genomic Medicine a Reality, American Journal of Human Genetics, 64:1–13 (https://www.cell.com/ajhg/pdf/S0002-9297(07)61649-8.pdf);
2. Luca Falzone, Salvatore Salomone, Massimo Libra1, 2018, Evolution of Cancer Pharmacological Treatments at the Turn of the Third Millennium, Frontiers in Pharmacology, 9: 1300, doi: 10.3389/fphar.2018.01300;
3. Simon Ekman, 2020, How selecting best therapy for metastatic NTRK fusion-positive non-small cell lung cancer? Translational Lung Cancer Research , 9(6): 2535–2544, doi: 10.21037/tlcr-20-434;
4. von Bubnoff A. Next-generation sequencing: the race is on. Cell. 2008;132(5):721–723. doi: 10.1016/j.cell.2008.02.028; 
5. Economic Evaluation of Population-Based BRCA1/BRCA2 Mutation Testing across Multiple Countries and Health Systems, 2020, Cancers, 12(7): 1929, doi: 10.3390/cancers12071929;
6. John S Mattick, Marie A Dziadek, Bronwyn N Terrill, etc., 2014, The impact of genomics on the future of medicine and health, MJA, 201 (1): 17-20., doi: 10.5694/mja13.10920;
7. Errol R Norwitz, Louis E. Phaneuf, Brynn Levy, 2013, Noninvasive Prenatal Testing: The Future Is Now, Reviews in Obstetrics and Gynecology, 6(2): 48–62;
8. Peter D Field, Nicole J Martin, 2011, CFTR mutation screening in an assisted reproductive clinic, The Australian and New Zealand Journal of Obstetrics and Gynaecology, 51(6):536-9, doi: 10.1111/j.1479-828X.2011.01348.x;
9. Guido de Wert, Sanne van der Hout, Mariëtte Goddijn, etc., 2021, The ethics of preconception expanded carrier screening in patients seeking assisted reproduction, Human Reproduction Open, 1: hoaa063, doi: 10.1093/hropen/hoaa063;
10. Francisco M. De La Vega, Shimul Chowdhury, Stephen F. Kingsmor, etc, 2021, Artificial intelligence enables comprehensive genome interpretation and nomination of candidate diagnoses for rare genetic diseases, Genome Medicine, 153;
11. Theodore Friedmann and Richard Roblin, 1972, Gene Therapy for Human Genetic Disease?: Proposals for genetic manipulation in humans raise difficult scientific and ethical problems, Science, Vol 175, Issue 4025, doi: 10.1126/science.175.4025.949;
12. Sue Pearson, Hepeng Jia, Keiko Kandachi1,2,3, 2004, China approves first gene therapy,Nature Biotechnology, 22(1): 3–4, doi: 10.1038/nbt0104-3;
13. Mark A. DeWitt, Wendy Magis, Nicolas L. Bray, etc., 2016, Selection-free genome editing of the sickle mutation in human adult hematopoietic stem/progenitor cells, Science Translational Medicine, Vol 8, Issue 360, doi: 10.1126/scitranslmed.aaf9336;
14. Imran Ahmed, Gwanggil Jeon, 2021, Enabling Artificial Intelligence for Genome Sequence Analysis of COVID-19 and Alike Viruses, Interdisciplinary Sciences: Computational Life Sciences doi: 10.1007/s12539-021-00465-0;
15. Identification of driver genes for critical forms of COVID-19 in a deeply phenotyped young patient cohort, 2021, Science Translational Medicine, doi: 10.1126/scitranslmed.abj7521.