Можем ли мы представить себе аптеку, где на полках нет ничего серьезнее анальгина, пластыря и йода с перекисью водорода, так как все остальные лекарства подбираются персонально и выдаются в строгом соответствии с вашими личными особенностями? Подобная ситуация — не плод буйной фантазии и воображения, а реальность, которую может предоставить наука в обозримом будущем.
Мы все разные
Историю биологии, которую называют «современной», начинают с 1953 года, когда американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Фр. Криком была открыта двойная спираль ДНК — об этом знает в наши дни даже школьник. Они совершили одно из самых громких открытий XX столетия — установили структуру молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК.
Само открытие было сделано на базе более ранних полувековых исследований в области биохимии, структурной биологии и генетики. Вскоре после открытия структуры ДНК было окончательно установлено, что все белки состоят из 20 аминокислот, а вся информация о наследственности кодируется нуклеиновыми кислотами, которые представляют собой наборы всего из четырех нуклеотидов. Понимание того, что все живущие организмы на Земле, при всем их разнообразии, от слона до вируса гриппа, имеют единую, достаточно простую химическую природу, произвело настоящую революцию в мире науки.
Выражение Козьмы Пруткова «Зри в корень» как нельзя лучше подходит нашему случаю: в организме человека есть главный «корень» — это его геном.
Cтало ясно, что основной путь к исправлению многочисленных биологических «слабостей» человека лежит через детальное изучение строения и работы его наследственной информации, содержащейся в геноме.
ДНК хранится в ядре каждой клетки нашего организма, несет в себе наследственную информацию и отвечает за множество индивидуальных особенностей конкретного человека.
Совокупность молекул ДНК одной клетки называют ее геномом, именно он составляет генотип организма и отвечает за строение клетки и происходящие в ней процессы. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Лишь те гены активны, которые необходимы для функционирования данной клетки, поэтому, например, нейроны отличаются от клеток печени.
Все они имеют разную форму, размеры и выполняют различные функции, но несут в себе нашу индивидуальность. Поэтому клетки разных людей, даже имеющие примерно один генный набор, никогда не будут идентичными.
Геном состоит из удивительных по своей структуре молекул ДНК, которые представляют собой двунитевые спирали. Каждая нить, словно бусы, сложена из отдельных звеньев — нуклеотидов. Их последовательность для каждого человека строго индивидуальна, она и есть наш неповторимый жизненный код. Геном человека можно сравнить с компьютерной программой, которая может работать по разным алгоритмам в зависимости от поступающих к ней команд. Аналогично, но только несравненно сложнее, работает генетическая программа. Cможет ли разум человека когда‑нибудь в полной мере постичь и воспроизвести замысел природы? Ответ можно было бы найти у Паскаля: «Разум знает, что за его пределами есть бездна, ему недоступная…»
Геном на флэшке
Однако биологи утверждают, что информацию, записанную в геноме, человек будущего теоретически сможет использовать для улучшения качества и продолжительности своей жизни.
Этим самым «человеком будущего» может стать каждый из нас: в 2001 г. завершился самый масштабный за всю историю биологии проект по определению последовательности нуклеотидов в геноме человека. «Подопытным кроликом» стал сам первооткрыватель ДНК Джеймс Уотсон, а расшифровка первого в истории генома обошлась в 3 млрд долларов.
В состав ДНК входит всего четыре типа нуклеотидов: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Их можно представить в виде букв: А, Т, Г и Ц соответственно. Генетический код — это последовательность этих нуклеотидов, проще говоря, строчка текста, составленного из четырех букв. Только «букв» в этой строчке 3,2 млрд, а вместо привычных нам символов — химические вещества, находящиеся в ядре крошечной клетки.
Метод чтения этого странного текста, а говоря научной терминологией, секвенирования, был предложен английским биохимиком Фредериком Сэнгером, ставшим лауреатом Нобелевской премии 1980 г. То был очень скучный и монотонный процесс, растянувшийся на десять лет, и стоило это огромных средств, сейчас же это можно сделать за неделю при наличии 10 тыс. долларов.
Биотехнологические компании обещают, что уже в этом году появится возможность читать геном всего за тысячу долларов, а уходить на это будет всего один день — записанный в текстовом формате, он займет около 3 ГБ. Так что очень скоро каждый сможет сделать генетический анализ и сохранить его у себя на флэшке.Звучит заманчиво, но что с этим делать дальше?
Узнать свое слабое место
Прочитать геном недостаточно — важно его понять. Прочитав текст на незнакомом языке, не извлечешь никакой полезной информации. Если для перевода иностранных слов существуют словари, то для языка природы подобный «словарь» человечеству предстоит составить: перед исследователями встала глобальная задача — установить функции генов человека, т. е. участков ДНК, отвечающих за какой‑то конкретный признак или процесс в организме.
Однако похоже, что эта проблема настолько сложна, что на ее решение уйдут многие годы. Результатом ее решения должно стать управление процессами развития организма человека. За последние десятилетия появились гипотезы, накоплен интересный фактический материал. Уже сегодня, имея доступ к такой информации, можно установить генетические предрасположенности человека к различным заболеваниям: онкологическим, сердечно-сосудистым, ожирению, бесплодию, диабету, заболеваниям нервной системы. Генетический анализ позволяет определять чувствительность к лекарственным препаратам, подверженность алкогольной и наркотической зависимости, склонность к различным областям деятельности и многое другое.
Например, злокачественные образования — это не что иное, как отклонения в нормальном процессе развития вследствие выхода из‑под контроля управляющих развитием систем, в первую очередь генетических. Если мы узнаем механизмы действия этих систем, то получим возможность их контролировать и производить необходимую коррекцию на тех этапах, которые определяют нормальный тип развития. Если известно, что есть предрасположенность к какому‑нибудь страшному заболеванию, человек, осведомленный о рисках, своевременно обратится к врачам на самых ранних стадиях заболевания. Для некоторых болезней, например рака, ранняя диагностика — практически единственная возможность благоприятного исхода.
Индивидуальная медицина
В настоящее время успешно развивается новое направление, называемое персонализированной или индивидуальной медициной. Основным инструментом персонализированной медицины служат генетические исследования: изучение генетических особенностей отдельного человека, выявление изменений в определенных генах и использование этой информации для более точной диагностики и назначения наиболее оптимальных методов профилактики и лечения.
Проще говоря, ее главная задача — лечение болезни еще до момента появления патологии. Если сегодня мы лечим болезни, то в будущем будем предотвращать их возникновение. Персонализированная медицина предполагает создание индивидуальных лекарств, которые будут воздействовать на гены человека или их продукты — белки. Ведь геном хранит в себе сведения о том, какие белки будут образовываться в клетке, а они делают нас такими, какие мы есть: ДНК выступает в качестве начальников, издающих приказы, а белки — их верные исполнители.
Почему нам сегодня часто не помогают лекарства? Вполне возможно, они попросту не подходят под наши природные особенности. Многие даже заявляют, что большинство лекарств вредны или бесполезны.
Дело в том, что лекарства, стоящие на аптечных полках, — это усредненные препараты, призванные бороться с общими проявлениями тех или иных патологий. Но любое нарушение в такой сложной системе, как человеческий организм, влечет за собой очень много индивидуальных изменений, поэтому строго индивидуальна и картина заболевания.
«Принцип "одно лекарство для всех" скоро уйдет в прошлое», — заявляет компания «Рош» — одна из крупнейших в фарминдустрии. При подборе лекарств нового поколения должны учитываться не просто особенности генома человека как биологического вида, а особенности генома каждого конкретного индивидуума.
Идея эта не нова, несмотря на то что термин «персонализированная медицина» появился в 1998 г., — еще «отец медицины» Гиппократ говорил, что в первую очередь надо смотреть на пациента, а не на болезнь. Просто сейчас у врачей появилась возможность «смотреть» намного пристальнее. Именно новые методы секвенирования ДНК являются главной предпосылкой создания персональных лекарств.
Такие препараты уже создаются, но, к сожалению, пока только для больных диабетом и некоторыми видами рака. К тому же они не имеют широкого распространения, и лечат ими больных, находящихся на терминальных стадиях заболевания, когда никаких других надежд на выздоровление не остается.
Именно персонализированная медицина, направленная на лечение конкретного больного, а не на лечение болезни, способна совершить переворот в здравоохранении: повысить его безопасность и значительно снизить количество случаев, когда «лечение не помогает».
Схема создания персональных лекарств выглядит довольно простой. Человека кладут в больницу, диагностируют заболевание, подбирают усредненные препараты, определяют генетические особенности, а уже потом на их основе создается индивидуальное лекарственное средство. Персонализированная медицина призвана учитывать множество деталей, так как именно они определяют индивидуальные особенности нашего организма. Решающая роль в выборе лечения принадлежит так называемым биомаркерам — характеристикам, на которые следует обращать внимание. Это параметры, которые могут помочь оценить риски развития заболевания, а если оно уже возникло, то спрогнозировать течение болезни, выбрать мишень для лечения или проверить эффективность используемых лекарств.
Таким биомаркером может быть все что угодно, даже, к примеру, температура пациента. Но современные технологии позволяют фиксировать и куда более «затейливые» показатели, например отдельные молекулы. Найти хороший биомаркер, тот, которому можно доверять, — отнюдь не самая простая задача.
Их поисками занимаются тысячи ученых по всему миру, и всего лишь единицам удается найти что‑то действительно полезное.
Важнейшую роль в персонализированной медицине будут играть информационные технологии. Если когда‑то данные, получаемые биологами в ходе экспериментов, умещались в лабораторных журналах, то сейчас они трансформировались в гигантские потоки информации, потому что геном человека очень большой, да и геномов секвенируют много. Для того чтобы разобраться в терабайтах генетической информации, появилась отдельная область науки, использующая математические методы, — биоинформатика. Создаются громадные базы биологических данных, а специальные алгоритмы позволяют их сравнивать и систематизировать. Такие технологии делают возможным создание комплексной программы, осуществляющей управление собственным здоровьем.
Не дать болезни шанса
Если еще полтора десятилетия назад рассказы о том, что лекарства будут подбираться индивидуально, звучали столь же фантастично, как обещания слетать в свой отпуск на Марс, то сейчас можно говорить о том, что до эры персонализированной медицины рукой подать. Почти каждый день в этой области появляются новые многообещающие открытия.
16 марта этого года один из самых авторитетных биологических журналов Сell опубликовал статью, которая рассказывает о необычном эксперименте. 40 ученых из Америки проанализировали 40 тыс. молекул одного-единственного человека. Эксперимент длился 14 месяцев. Зачем они это делали?
Все началось с того, что 56‑летний профессор Стэнфордского университета Майкл Снайдер прочитал свой геном и обнаружил предрасположенность к диабету 2‑го типа. Эта болезнь страшна тем, что появляется весьма неожиданно, хотя предшествует ей масса изменений в организме. Не одна сотня генов должна поменять свою активность, прежде чем инсулин перестанет нормально взаимодействовать с клетками организма и уровень глюкозы в крови превысит допустимое значение.
Снайдер решил проследить за сложными процессами внутри своего организма. Изучались все его гены и их проявления, которые, как мы помним, состоят из нуклеотидов. Нуклеотидов в нашем геноме много — около 3,2 млрд. Работы было более чем достаточно. На 289‑й день эксперимента профессор подхватил вирусную инфекцию. После этого ученые зарегистрировали у него в крови скачок концентрации глюкозы и другие изменения обмена веществ: 2000 генов увеличили свою активность, а 2200 — уменьшили. Эти невероятные цифры позволяют хотя бы немного оценить масштаб и вообразить сложность того, что происходит внутри каждого из нас.
Происходившие изменения были вестниками развивающегося заболевания. Ученые считают, что вторжение вируса в организм сделало генетическую возможность развития диабета реальностью.
Снайдер не стал дожидаться болезни, исключил сладкое из рациона и увеличил физические нагрузки. Через несколько месяцев обмен веществ пришел в норму.
Конечно, такие комплексные анализы стоят пока что невероятно дорого, но достаточно вспомнить историю с чтением генома, чтобы понять, что обеспечение доступности подобных процедур — всего лишь вопрос времени.
