Наука в симбиозе
«Организм человека — вещь фундаментальная, но наши исследования всегда клинически ориентированы, — рассказывает директор Института молекулярной биологии и генетики Северо-Западного федерального медицинского исследовательского центра имени В. А. Алмазова, кандидат медицинских наук и научный сотрудник кафедры компьютерных технологий Университета ИТМО Анна Костарева. — Когда мы спускаемся на уровень клеток, генов и белков, то получаем так много данных, что нам с ними не справиться без помощи профессионалов. Университет ИТМО имеет большой спектр информатических методов, при этом имеющих мало отношения к живым объектам. Поэтому примененный нами междисциплинарный подход оказался довольно успешным. Ведь биоинформатики не существуют сами по себе. Им всегда нужны как минимум данные для анализа, которые сгенерировать самостоятельно невозможно».
Как поясняет ученый, она и ее коллеги могут самостоятельно работать с большей частью данных, генерируемых в ходе исследований. Однако вопрос заключается в том, смогут ли медики извлечь из всего этого массива нужную информацию. Союз генетиков с биоинформатиками дает больше шансов на успех исследования: пока одни генерируют и направляют данные, другие их обрабатывают. Как признается Анна Костарева, в ходе работы аспиранты КТ находят информацию, которую биологи зачастую даже не надеялись найти. Таким образом, за год сотрудничества у вуза и Центра появились пять крупных параллельных проектов.
«Главное, что мы научились понимать друг друга и говорить на одном языке. Ведь наша работа строится по-разному. Те же программисты могут довольно быстро решить ту или иную задачу, используя компьютерную обработку данных. Биологические процессы, как водится, текут довольно медленно: порой от начала эксперимента до возможности его проанализировать проходит до полугода. Взаимопонимания мы достигаем путем знакомства наших коллег-программистов с нашей работой, демонстрируем ребятам наше оборудование, объясняем, как выстраиваются исследования. Так что не думайте, что они просто сидят в изоляции с таблицами Excel», — отмечает Анна Костарева.
От кардиомиопатий до «блокадных генов»
Все совместные проекты, которыми сейчас занимаются ученые, посвящены генетике. Ведь генетический материал предполагает наличие самого большого количества данных, поясняет руководитель института. Так, в число проектов входит крупная область исследований, посвященная наследственным и врожденным заболеваниям сердца. Эти заболевания тяжело протекают и зачастую требуют трансплантации органа. Известно, что они имеют генетическую природу, но до конца эти недуги еще не изучены. В основном это болезни, характеризующиеся нарушениями ритма сердца, — например, кардиомиопатии. Чтобы найти причинные гены, ученым необходимо обрабатывать много данных. По первичным результатам работ ученые планируют в скором времени опубликовать совместную статью в журнале PLOS ONE.
Так, один из проектов касается врожденных пороков сердца и заболеваний аорты. Они встречаются в популяции куда чаще кардиомиопатий. Люди от них не умирают в молодости, но неизбежно получают проблемы с сердцем после 40 лет и к 60−70 годам вынуждены записываться на операцию. Причем хирургическое вмешательство бывает достаточно тяжелым — например, пациентам необходимо протезирование клапанов, что вызывает большую кровопотерю и нередкие осложнения.
«Все поспешили изучать геном, надеясь на революцию, но ожидания многих ученых не оправдались. Сейчас мы с коллегами, по сути, ищем все те же причины разных болезней, но стараемся подойти к вопросу с другой стороны. Может быть, определенные ноу-хау не сработают вообще. Грубо говоря, мы стараемся смотреть не на те гены, на которые смотрят все остальные, а на другие. Может быть, мы ничего не найдем, но хотя бы проверим гипотезу. При любом исходе это будет хорошая публикация, в которой мы осветим принципиально новый подход. Коллеги из Университета ИТМО с помощью новых биоинформатических методов предсказали именно те геномные области, на которые стоит обратить внимание», — поясняет кандидат медицинских наук.
Другая работа университета и Института молекулярной биологии и генетики связана с микробиологией. По словам Анны Костаревой, она касается таких болезней, как гепатиты и энцефалиты. С помощью новых методов анализа ученые хотят найти ранее неизвестные факторы в геноме бактерий и вирусов, которые отвечают за устойчивость микроорганизмов и тяжесть клинической картины. Бактерии и вирусы очень пластичны — их геном быстро и легко меняется, приспосабливаясь к новым условиям. Каждое такое изменение достойно отдельного анализа и описания, потому что оно говорит о принципах жизни этого микроорганизма. Это направление деятельности ведется совместно с Институтом Пастера и Научно-исследовательским институтом в Таллине.
Следующий проект принадлежит к сфере эпигенетики. Ученые изучают то, каким образом факторы внешней среды влияют на геном человека. К ним относятся длительные хронические заболевания, гипоксия, загрязненный воздух, стрессы и так далее. Кроме того, ученые акцентируют внимание на таком социально значимом заболевании, как атеросклероз. Несмотря на то, что ему посвящено немало исследований, атеросклероз пока не побежден. Коллаборанты из Университета ИТМО и Центра Алмазова пытаются изучить особенности сосудов вместе с коллегами Каролинского медицинского института (Стокгольм, Швеция) и Университета Осло. Таким образом они хотят выявить новые принципы анализа, которые могут оказаться жизнеспособными.
Отдельной строкой Анна Костарева выделяет работу по выявлению того, как суровые условия в блокадном Ленинграде отразились не только на самих блокадниках, но и на их потомстве. Рассматривая Петербург как уникальное место с населением, получившим тяжелый опыт выживания в годы Великой отечественной войны, ученые хотят выяснить эпигенетическое воздействие подобных факторов на гены людей.
Инструменты
Имея на руках биологический материал, ученые проводят расширенный генетический анализ при помощи различных методов секвенирования ДНК. По словам научного сотрудника Научно-исследовательской лаборатории молекулярной кардиологии и генетики Артема Киселева, в центре имеется несколько видов продвинутых секвенаторов. Один из них — устройство, работающее на классическом принципе секвенирования по Сэнгеру. Кстати, при помощи подобных приборов осуществлен один из крупнейших Megascience-проектов — расшифровка генома человека.
«Процесс запуска дорогостоящей машины не так сложен, как подготовка биологического материала пациента к секвенированию. Технология, которую мы используем для получения информации о генах, называется „целевое обогащение“. Если кратко, она состоит из следующих этапов: выделение ДНК из биологического образца, подготовка полногеномной ДНК-библиотеки — на этом этапе вся геномная ДНК пациента обрабатывается таким образом, чтобы у прибора была возможность провести секвенирование. Кстати, на подготовку библиотек только для одного запуска прибора нужно около двух недель работы квалифицированного сотрудника. На этапе гибридизации мы используем искусственные ДНК-последовательности, которые называются зондами. Они нужны для того, чтобы извлечь из геномной библиотеки ту ее часть, которая представляет интерес в данном исследовании. В итоге ДНК-библиотека загружается в прибор и начинается процесс секвенирования, который длится около 48 часов. Удобно, что в течение этих 48 часов вмешательство сотрудника не требуется», — поясняет специалист.
Особенно важно, что в ходе исследований ученые смотрят на новый список ранее не исследованных генов. В ходе биоинформатической обработки данных ученые пытаются найти новые причины заболеваний и соотнести их с тем клиническим материалом, который уже есть. Значение имеет все: скорость прогрессирования заболевания, время дебюта нарушений и их степень развития. Биоинформатический и клинический анализы проводятся одновременно, а коллектив специалистов сопоставляет их и старается найти общие закономерности. По словам аспиранта кафедры компьютерных технологий Алексея Сергушичева, с поисков мутаций начинается нетривиальная часть исследования. Дело в том, что выявить мутации, виновные в заболевании, не так просто — у каждого человека свое многообразие мутаций. Так что биоинформатикам приходится усиленно работать над тем, чтобы существенно сузить количество подозрительных, потенциально виновных в заболевании мутаций.
«Если мы в результате анализа найдем участки в геноме, которые ассоциируются с заболеванием, тогда можно будет очень прицельно их рассмотреть, понять, какова их функция. Может, в результате мы выйдем на новый механизм развития заболевания, о котором ранее или не знали, или не придавали ему достаточного значения. Понимая механизм, фармкомпании когда-нибудь смогут создать нужный препарат. Занимаясь этим сейчас, мы приближаем тот час, когда заработает персонализированная медицина. В нее с трудом верилось много лет назад, но сейчас это уже совсем не фантастика», — говорит Анна Костарева.
«Если раньше мы считали, что генетические заболевания слишком тяжело и дорого лечить путем генетических подходов, то сейчас для ряда патологий это абсолютно реально. В частности, это касается такого заболевания, как миодистрофия Дюшенна. В этой патологии есть реальные генетические подходы и методы лечения, которые применяются у пациентов, и они эффективны. К сожалению, в нашей стране они применяются пока не везде. Но такие методы лечения генетических заболеваний постепенно приходят в клиническую практику», — заключает ученый.
Добавим, что Университет ИТМО плотно сотрудничает с медиками в рамках проектов Института трансляционной медицины, который развивается в вузе. Кроме научных коллабораций, они реализуют и образовательные инициативы — так, в этом году были набраны первые студенты на программу «Вычислительная биомедицина».
