Наша цель – создать анализ на отдельные болезни, основанный на изучении белков. Первым коммерческим применением протеомики станет диагностика и то, что называется «терадиагностика» (исследование маркеров, предсказывающих результаты терапии). Так, онколог (например я) сможет получить протеомный анализ на рак, который будет определять наличие тех или иных маркеров – белков в крови, которые показывают, что происходит что-то необычное или ненормальное, – для определения изменений в состоянии организма, которые мы сможем использовать для предсказания ответа на медикаментозную терапию или хирургическое лечение. Это заменит современные инвазивные методы, такие как биопсия. Протеомика сможет подсказать врачам правильную тактику, а также необходимость использования инвазивных методов.
Протеомные анализы – не новость, они существуют уже несколько десятилетий, но раньше их применяли для исследования единичных белков, и все. Одним из первых протеомных тестов был анализ уровня человеческого хорионического гонадотропина (ХГЧ), гормона, синтезируемого в организме беременной сразу после оплодотворения. В начале XX века тест на беременность включал инъекцию человеческой мочи в ушную вену крольчихи. Потом, через несколько дней, в лаборатории изучали яичники этой крольчихи. Если моча содержала ХГЧ, то яичники давали ответ на гормон, что служило подтверждением беременности. «Кроличий тест» был широко распространенной биопробой (тест, при котором используют животных) для определения беременности. Потом, в конце 1977 года, Уорнер Чилкотт выпустил на рынок первый безрецептурный домашний тест на беременность под названием «E.P.T.» (Ранний тест на беременность), стоивший примерно 10 долларов, – и тысячи кроликов были спасены.
Но возможно и другое применение такого типа анализов белков: допустим, реально выявить паттерн белков, обнаруживаемых в крови, по которому можно сказать, что в толстой кишке развивается полип. Это гораздо лучше, чем колоноскопия, позволяющая обнаружить полипы (аномальные разрастания ткани, которые могут переродиться в рак).
Сейчас рекомендуют проходить колоноскопию каждые пять-десять лет после определенного возраста, но один из тысячи обследуемых получает травмы во время самого обследования, и это уже не говоря о тревоге до него. К сожалению, в настоящее время нет лучшего способа выяснить, находится ли толстая кишка в предраковом состоянии. Если в этом поможет ежегодный анализ крови, не будет ли это лучше, менее травматично, для тела человека и его психики?
И тогда колоноскопия понадобится только для удаления существующего полипа. Это один из примеров возможностей протеомики. Расходы на здравоохранение серьезно упадут, риск вторичных травм от инвазивной диагностики снизится, если вообще не исчезнет.
Наложенные друг на друга протеомные анализы двух человек. (Источник: «Прикладная протеомика»)
Сейчас врачей во многом ограничивает техника. Часто доктор может определить, является ли опухоль раковой, только с помощью биопсии. Например, ранняя диагностика рака яичников затруднена. Представьте себе ряд минимально инвазивных методов, которые на ранних этапах помогут установить правильный диагноз и назначить эффективное лечение. В случае рака яичников это анализ крови, который женщина будет сдавать одновременно с ежегодным ПАП-мазком, в ходе которого определят наличие конкретных белков – индикаторов ранних стадий рака яичников. Вот чего ожидают от протеомики, которая присоединится к широкому ряду развивающихся технологий, созданных для изменения медицины.
Будущее медицины для пользы человека
Чтобы получить профиль белков и сделать на его основе полезные выводы, как и в случае геномики, необходима большая работа по расшифровке Сегодня неизвестно, что означают все эти характеристики крови и как они соотносятся друг с другом. Может быть, что, как в генетическом тесте, единичный признак может свидетельствовать о чем-то важном. Но возможно, больше информации заложено в паттерны и комбинации. Мы словно живем во времена Менделя и Дарвина и собираем как можно больше данных для того, чтобы разгадать загадку человеческого организма и множества путей управления здоровьем и болезнями. Но между тем, как работаем мы, и тем, как работали Мендель и Дарвин каждый в своей стране, есть отличие: мы работаем не в вакууме. Я пишу книгу, а группы ученых проводят исследования в Стэнфорде, Калтехе, Институте Санта-Фе, Вашингтонском университете, Аризонском государственном университете, Институте исследования генома в Фениксе, Лаборатории «Cold Spring Harbor» в Нью-Йорке, «Прикладной протеомике» и лаборатории Университета Южной Калифорнии.
Возможно, лет через 10–20 все, что потребуется врачам для диагностики развивающихся болезней, даже рака, – капля крови. Эта капля подскажет, риск развития каких генетических заболеваний для вас повышен, какие медикаменты, рассчитанные под ваш генотип и особенности физиологии, вам подойдут. Мы уже можем начинать изучать кровь и вмешиваться на ранних этапах заболевания.
Конечно, когда-нибудь полное секвенирование генома (и, по крайней мере, частичное) станет частью медицинских данных, а рутинные анализы крови будут включать тысячи измерений для диагностики различных болезней и генетической предрасположенности к определенным состояниям. Медицина перестанет заниматься только лечением и перейдет к профилактике, основанной на научных прогнозах. Это все будет возможно благодаря объединенной медицине сложных систем, представляющей собой микс биологии, технологии, электроники и рациональных объяснений из физики, которая объясняет поведение «целого» (человеческого организма) в терминах взаимодействия между его частями – генами, белками и остальными молекулами, играющими определяющую роль.
Со временем технологии развились до такого уровня, что появилась возможность управлять сложными системами, не понимая их строения. В медицине, к сожалению, преобладает другой подход. Как известно, я думаю, мы слишком долго обращали внимание на понимание, а не на управление. Надеюсь застать то время, когда мы сможем работать так, как сейчас это делают в высокотехнологичных компьютерных компаниях, например «Сан микросистемс», которую «Oracle» приобрел в 2009 году, инженеры могли предсказать, что система выйдет из строя до того, как это происходило, и заменить некорректно работающий компонент до того, как он приведет к краху системы. Представьте себе, что у медицины появятся такие же возможности. Сначала нужно будет знать, куда смотреть, где находятся уязвимые места и как определить потенциальный дефект или будущий сбой, потом знать, как изменить условия для того, чтобы предотвратить некорректную работу. По существу, можно будет выявить «компоненты», функционирующие неправильно или требующие настройки с помощью лекарств или изменения образа жизни. Так что вместо того чтобы лечить болезни или уже произошедшие сбои в системе, будут эффективно предотвращать их появление.
Основой медицины сложных систем является идея идентификации элементов системы и измерения их взаимосвязей и взаимодействия в ходе внесения возмущений в систему. В конце концов, болезнь – это тоже «возмущение», вызванное генетикой или изменениями окружающей среды, или и тем и другим сразу. Когда схема сети всех генов и протеинов, взаимодействующих в конкретной ткани, будет создана, станет возможным различными способами изменять части этой сети и сравнивать результаты. Например, можно будет измерить, как воздействует на систему препарат от давления или ежедневная маленькая доза аспирина – даже там, где мы и не предполагали, что эти лекарства оказывают влияние. В итоге подобные эксперименты помогут выявить молекулярные изменения, происходящие при раке, воспалении или любом другом состоянии. Во многих случаях эти изменения включают в себя белки, которые клетки выбрасывают в кровоток. Так и появилась мысль проводить анализ крови на заболевания, включая рак.
