Новые возможности анализа крови
Технологический прогресс приводит к открытию все новых возможностей диагностики поражений головного мозга, инфекций и злокачественных опухолей по образцу крови.
Будущее. Во время матча известный спортсмен получает удар по голове, однако отказывается немедленно выбыть из игры. Тренерам необходимо решить, не опасно ли для спортсмена возвращение в игру, и в этом им поможет простой анализ крови. По крайней мере, на появление таких методов можно надеяться, и они становятся все более реальными благодаря научным достижениям, повышающим мощность методов анализа образцов крови. Преимущества такой диагностики могут распространяться далеко за пределы сферы спорта, позволяя быстрее оценивать здоровье населения в целом.
Всего нескольких капель крови будет достаточно, чтобы диагностировать не только повреждения головного мозга, но и психические заболевания, злокачественные опухоли (см. вставку: «Выявить рак без скальпеля»), загадочные инфекции. Поскольку для анализа требуется небольшое количество крови, которое легко получить, анализ крови сможет полностью или частично заменить более инвазивные, дорогие и рискованные методы. В некоторых случаях анализ крови позволит поставить диагноз гораздо раньше, чем другие методы, что избавит пациента от месяцев напряженного ожидания.“Уже многие десятилетия известно, что кровь несет громадный объем информации, способной помочь клиницистам в принятии решения”, — утверждает Марк Рошевски (Mark Roschewski), гематолог и специалист по лимфомам Национального исследовательского института рака в Бетесде (штат Мэриленд, США), — “Сложность заключается том, как извлечь эту информацию и сделать это безошибочно, своевременно и с должной воспроизводимостью”.
Более глубокое понимание патогенеза заболеваний способствует активной разработке множества новых способов анализа крови. Многообразие видов анализа обеспечивают и новые технологические достижения, позволяющие исследователям определять множество биомаркеров в единичном образце крови. В свою очередь, изучение новых биомаркеров позволяет разработать инновационные методы лечения и привлечь фармацевтические компании на новый, быстро развивающийся рынок.
Рисунок 1 ǀ Анализ крови выходит за пределы стандартных методик
Однако, повышение точности и детальности анализов крови приводит к возникновению опасений, связанных с нарастанием объема получаемых медицинских данных.Особенно перегружены информацией анализы, позволяющие предсказать развитие заболевания в будущем у здорового человека, говорит Гилберт Уэлч (H. Gilbert Welch), врач-преподаватель из Дартмутского Института политики здравоохранения и клинической практики Ливана (Нью-Гемпшир, США), и автор статьи «Меньше лекарств, больше здоровья» (Less Medicine, More Health, 2015). “В нынешний информационный век принято считать, что большое количество полученных данных всегда обеспечивает ясный ответ,” — отмечает Уэлч, — “Но очень важно отличать избыточные данные от действительно полезной информации”.
Зондирование мозга
Среди других важных направлений быстрому расширению возможности диагностики по анализу крови способствует изучение реакций нашей иммунной системы на различные агенты с сопутствующим выделением в кровоток различных веществ, а также улучшение способности определять эти вещества. «Мы начинаем понимать, что иммунная система гораздо лучше развита и более чувствительна, чем мы когда-либо себе представляли», — говорит Пурвеш Хатри (Purvesh Khatri), специалист по вычислительной иммунологии Стэнфордского Университета в Калифорнии, — «Вот почему в анализе крови можно увидеть заболевание». О чужеродных агентах могут сигнализировать не только молекулы, выделяемые иммунной системой. При повреждении нервной системы высвобождаются белки, позволяющие исследовать состояние мозга, утверждает Джессика Джилл (Jessica Gill), специалист по нейронаукам Национальных институтов здравоохранения США в Бетесде, которая работает над методом диагностики травмы мозга по анализу крови. Ее исследования начались с известной проблемы: около трети военнослужащих США, участвовавших в боевых действиях, получают по меньшей мере одну такую травму, но к тому времени, когда они обращаются к врачу, психические симптомы повреждений мозга трудно отличить от симптомов тревожного расстройства или посттравматического стрессового расстройства. Повреждения мозга можно выявить при помощи метода магнитно-резонансной томографии (МРТ), однако однозначный диагноз удается поставить лишь при крайне тяжелых травмах. “Если пяти радиологам предоставить одну и ту же МР-томограмму, они никогда не придут к единому мнению, разве что при наличии серьезного повреждения», — говорит Джилл., — “Большинство случаев черепно-мозговой травмы или сотрясений мозга — достаточно легкие и плохо выявляются при помощи современных методов нейровизуализации”.
В поисках наилучшего диагностического биомаркера Джилл обратила внимание на тау-белок, который после травмы мозга накапливается в крови, хотя и в крайне малых количествах. Чтобы увидеть, может ли тау-белок указывать и на легкие или давние травмы мозга, Джилл использовала технологию с применением слабо намагниченных бусин, к которым прикреплены антитела, связывающиеся с белками. Результаты тесты анализирует система автоматического анализа Simoa, разработанная компанией Quanterix (Лексингтон, штат Массачусетс). Согласно данным разработчика, эта система в 1000 раз чувствительнее, чем предшествующие технологии на основе антител, и способна обнаруживать такие белки, как тау-белок, в крайне малых концентрациях — от 0,02 пг/мл крови. “Когда мы ищем тау-белок в образце крови, мы словно пытаемся найти несколько песчинок в олимпийском бассейне, но эти песчинки на самом деле очень важны», — говорит Джилл, — «Пять лет назад мы не смогли бы провести такой анализ”.
Рисунок 2 ǀ Система автоматического анализа Simoa (single molecule array — Simoa)
В 2015 году с использованием системы Simoa команда Джилл обнаружила повышение уровня тау-белка в крови военных, перенесших множественные черепно-мозговые травмы и имеющих симптомы осложнений сотрясения мозга [1]. По словам ученого, полученные результаты, наряду с другими исследованиями, свидетельствуют о том, что дегенерация мозга продолжается в течение многих лет после повторных травм. Таким образом, анализы крови на тау-белок или другие биомаркеры могут, в конечном итоге, определять пациентов, в наибольшей степени нуждающихся в дальнейшем наблюдении и повторном проведении анализов. Если будет показано, что появление хронических симптомов после черепно-мозговых травм обусловлено накоплением тау-белка, то подобные исследования могут привести к разработке терапии, нацеленной на тау-белок.
Еще одной важной целью диагностики по анализу крови является раннее выявление болезни Альцгеймера. Позитронно-эмиссионная томография показывает, что еще за два десятилетия до появления симптомов заболевания в мозге начинает накапливаться белок бета-амилоид. В ходе поиска биомаркеров, изменяющихся по сходному шаблону, исследователи обнаружили связь повышенного риска болезни Альцгеймера с черепно-мозговыми травмами и сахарным диабетом 2 типа. Это подсказывает направление поиска наиболее подходящих биомаркеров.
Благодаря методам, способным быстро выявить в крови несколько биомаркеров одновременно (в том числе и тау-белок, который связан с болезнью Альцгеймера) ученые определили около 100 молекул, способных служить в качестве диагностических маркеров болезни Альцгеймера, говорит Ральф Мартинс (Ralph Martins), нейробиолог Университета Эдит Кован в Перте, Австралия. По его словам, на данный момент около 20 из них выглядят многообещающе. Когда список потенциальных биомаркеров удастся сократить до восьми, анализ крови на болезнь Альцгеймера станет доступным для широкого применения. «Я не думаю, что у нас есть лучшие альтернативы», — говорит Мартинс, и добавляет, что анализ крови окажется гораздо дешевле и проще, чем ПЭТ-скрининг на бета-амилоид, который может обойтись в тысячи долларов. «Преимущества очевидны и велики.»
Кровь и разум
Диагностика психических заболеваний также может выиграть от наступления эры анализа крови, утверждает Кармин Парианте (Carmine Pariante), биолог-психиатр Королевского колледжа Лондона, который работает над анализом крови, позволяющим определить направление персонализированного лечения для больных депрессией. Идея возникла на основе данных, собранных за последнее десятилетие и связывающих депрессию с воспалением, особенно в случае тех пациентов, у которых не наблюдается улучшения при терапии обычными антидепрессантами.
В исследовании 2016 года [2], Парианте с коллегами проанализировали опубликованные данные и определили два биомаркера воспаления (интерлейкин-1β и фактор, ингибирующий миграцию макрофагов), которые, при превышении определенного уровня в крови, точно указывают на отсутствие ответа на препараты. По словам Парианте, прежде чем исследователи смогут разработать прогностический тест, они должны еще лучше понять, что же означают определенные уровни биомаркеров, и как они могут варьировать у различных пациентов. Это особенно важно для большого числа пациентов, имеющих промежуточные уровни биомаркеров и проявляющих смешанную реакцию на стандартные препараты. Тем не менее, результаты Парианте позволяют предположить, что в конечном итоге анализ крови поможет избежать месяцев мучительного поиска эффективных методов лечения.
“Сейчас, если пациент с депрессией впервые обращается к терапевту или психиатру, врач назначает один из нескольких антидепрессантов примерно равной эффективности. Однако пока нет однозначного способа решить, какой препарат окажется эффективнее для конкретного пациента. Можно провести полгода в депрессии, принимая препарат, который оказывает исключительно побочные эффекты без намека на лечение”, — говорит Парианте, исследовательская группа которого является одной из немногих, работающих над методами анализа крови для выявления биомаркеров депрессии.
Подобные исследования, проясняющие биохимические основы депрессии, побуждают фармацевтические компании возобновить интерес к психическому здоровью, сама концепция которого, однако, претерпевает некоторые изменения, утверждает Парианте. “Пациенты пишут мне, насколько хорошо они понимают, что психические заболевания — это особенности не только разума, но и тела», — говорит он, — «Это действительно показывает, что мы не должны даже обсуждать психическое и физическое здоровье как отдельные понятия.»
Обнаружение инфекции
В ходе расшифровки тонкостей ответа иммунной системы на враждебные агенты ученые создают информационные системы для обмена данными. При совмещении с результатами анализа крови, данные из таких систем могут помочь в выявлении инфекций. Подобные разработки могут спасти множество жизней и сократить нецелесообразное применение антибиотиков, считает Хатри. Его исследовательская группа собирает сведения из баз данных в открытом доступе, в том числе поддерживаемые Национальными институтами здравоохранения (США) и Европейским институтом биоинформатики (Кембридж, Великобритания), для выявления коррелирующих с причинами инфекции закономерностей экспрессии генов. Такие закономерности в дальнейшем можно использовать как предупреждающий знак при выявлении людей, которые могут заболеть или стать переносчиком заболевания.
Помимо других результатов, в 2015 году группа выявила 396 генов, показавших отличительные профили активности у больных бактериальной или вирусной респираторной инфекцией [3]. Также исследователи обнаружили уникальную особенность, позволяющую отличить грипп от других вирусных заболеваний. В ходе проспективного исследования [4] были выявлены семь генов, благодаря которым возможно отличить бактериальные инфекции от вирусных, впоследствии точность теста была проверена на группе из 96 тяжелобольных детей. Исследователи также обнаружили характерную комбинацию профилей экспрессии трех генов, позволяющую определить, болен ли человек туберкулезом и в какой форме — активной или латентной. По словам Хатри, такой анализ отличается предельной чувствительностью, в отличие от других методов диагностики, выявляющих ДНК возбудителя в бронхиальной слизи, однако нередко нечувствительных в том случае, когда больной, в частности, маленький ребенок, не может откашлять достаточного для анализа количества мокроты.
В других исследованиях команда Хатри выявила профили экспрессии генов, коррелирующие с малярией и позволяющие отличить ее от бактериальных и вирусных инфекций. Кроме того, исследователи разработали анализ по 11 генам, позволяющий дифференцировать пациентов с сепсисом от больных с воспалительным ответом неинфекционной природы, например, при травмах или тромботических осложнениях. Тест смог выявить пациентов, у которых впоследствии развились бы признаки инфекции, за три дня до появления симптомов, что дает возможность диагностировать сепсис на пять дней раньше, чем позволяют современные лабораторные бактериологические методы. Хатри утверждает, что благодаря нередкому изменению профиля экспрессии генов еще до появления симптомов, такие анализы крови могут помочь в борьбе с распространением заболеваний, определяя людей со специфическим ответом на вакцины или уже заразившихся, но пока не имеющих симптомов болезни. В исследовании 2015 года, на основе анализа крови команда исследователей смогла выявить бессимптомных носителей вируса гриппа, а также неинфицированных пациентов с явными симптомами заболевания. По словам Хатри, точность нынешних технологий быстрого анализа крови не превышает 70%, что в пересчете на заболеваемость гриппом в США соответствует примерно 7,5 млн недиагностированных пациентов из 25 млн больных ежегодно.
Рост возможности диагностировать инфекции по крови оказался бы невозможен без повсеместного обмена данными, считает Хатри. Сегодня в свободном доступе для исследователей находится более миллиона «каталогов» экспрессии генов, известных как транскриптомные профили. Обеспечение связи этих обширных баз данных с инновационными технологиями анализа крови может принести большую пользу. “Анализ крови, применяемый надлежащим образом и трактуемый в верном контексте, позволит расширить возможности прецизионной медицины,” — говорит Хатри.
По мере пополнения списка заболеваний, биомаркеры которых обнаружены в крови (например, к ним добавились остеоартрит, аутизм и сердечная недостаточность), некоторые ученые начинают разрабатывать универсальные методы скрининга по образцу крови для определения множества различных заболеваний еще до появления их симптомов. В 2014 году исследователи из Университета штата Аризона в Темпе и из компании NextVal (Сан-Диего, Калифорния) одними из первых продемонстрировали клинические возможности платформы, основанной на методе микрочипового анализа. Такая технология способна одновременно определить по меньшей мере 330 000 белков менее чем в 1 мкл крови и может применяться для обнаружения циркулирующих антител [5]. Проанализировав кровь, взятую от пациентов с установленными диагнозами, данная платформа смогла определить шесть видов рака и шесть инфекционных заболеваний, включая болезнь Лайма и коклюш.В других работах исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета применяют технологию масс-цитометрии, которая основана на мечении антител ионами тяжелых металлов и обнаружении их методом масс-спектрометрии. Это позволяет команде исследователей изучать клетки иммунной системы, с одновременным использованием большего числа антител-зондов, чем позволяют другие методы. На данный момент эта дорогостоящая технология сосредоточена на выявлении биомаркеров, однако все может измениться. “Наша конечная цель — создание анализа, позволяющего оценить работу вашей иммунной системы, ваш риск онкологических, сердечно-сосудистых или других заболеваний, основанный на вашем иммунном профиле”, — говорит иммунолог Холден Маэкер (Holden Maeker) из Стэнфордского университета, — “Судя по всему, воспаление и иммунные реакции участвуют в патогенезе гораздо большего числа болезней, чем мы предполагали”.
Один из наиболее заманчивых вариантов применения нарастающих объемов информации, извлекаемой из анализа крови — это возможность выявления и контроля онкологических заболеваний по опухолевой ДНК, циркулирующей в кровотоке.В 2016 году Управление по надзору за пищевыми продуктами и медикаментами США одобрило клиническое применение первой подобной “жидкостной биопсии”. Анализ предназначен для выявления двух распространенных мутаций в гене EGFR у больных немелкоклеточным раком легких. Положительный результат может изменить курс лечения и помочь лечащим врачам быстрее подобрать подходящую терапию, говорит Джоффри Окснард (Geoffrey Oxnard), торакальный онколог Института исследований рака Дана-Фарбер в Бостоне (штат Массачусетс, США). Анализ на мутацию EGFR доступен и уже применяется во всем мире.
Жидкостная биопсия изменила тактику ведения пациентов Окснарда. Обычная биопсия тканей является инвазивным методом, при котором зачастую забирается недостаточное для анализа количество ткани, при этом образец берется лишь из одного участка опухоли, несмотря на то, что ее генетический состав в разных областях может варьировать. До получения результата тканевой биопсии могут пройти недели. Но жидкостная биопсия позволяет быстро получить информацию обо всей опухоли в целом. “Сегодня, когда вы наблюдаете некурящего пациента с прогрессирующим раком легких, вы можете за два дня получить результат анализа крови и начать таргетную терапию,» — говорит Окснард. В 2016 году команда Окснарда обнаружила, что анализ крови не хуже тканевой биопсии определяет пациентов с конкретной мутацией EGFR, хотя при отрицательном результате требуется дополнительное проведение стандартной биопсии [6]. Так как взять кровь на анализ достаточно просто, жидкостная биопсия обеспечивает постоянный контроль за состоянием пациентов, в ходе которого можно выявить генетические изменения в опухоли и развитие ее устойчивости к препаратам.
Возможность применения жидкостной биопсии была доказана в 2015 году при случайном выявлении метастатического рака благодаря обнаружению внеклеточной опухолевой ДНК у беременных женщин, которым проводился анализ крови на наличие ДНК плода. Эта находка подстегнула интерес к идее выявления злокачественных опухолей по анализу крови. Быстрый анализ с помощью технологий секвенирования нового поколения позволяет определить очень малое количество циркулирующей опухолевой ДНК, которое может составлять всего 0,001% общей ДНК в кровотоке, говорит Марк Рошевски (Mark Roschewski), специалист по лимфомам Национального исследовательского института рака в Бетесде (штат Мэриленд, США).В перспективе, целью проведения жидкостной биопсии является постановка первичного диагноза. К тому моменту, когда опухоль достигает сантиметра в диаметре и выявляется при компьютерной томографии, она уже содержит около миллиарда злокачественно перерожденных клеток. Считается, что есть возможность гораздо более ранней диагностики, когда такие клетки или их ДНК появляются в крови в достаточном для выявления количестве. Однако на данный момент жидкостная биопсия считается самым многообещающим методом для установления генетической структуры уже диагностированных опухолей, отчасти благодаря большему содержанию в крови опухолевой ДНК, с которой можно работать.
Например, в 2017 году в британском исследовании TRACERx [7] проводился анализ крови для выявления ранних признаков рецидива немелкоклеточного рака легких у пациентов, перенесших операцию по удалению опухоли, что позволило обнаружить рецидивы примерно на 1 год раньше, чем при обычной компьютерной томографии.Возможности технологии жидкостной биопсии разнообразны, однако некоторые из них пока далеки от применения. “Нам нужны анализы, обладающие еще большей эффективностью выявления предельно малых уровней циркулирующей опухолевой ДНК», — говорит Окснард. Это позволит обнаружить появление или рецидив опухоли на самых ранних этапах — лишь бы исследователи могли применять полученные результаты для лечения пациентов. “Это будущее. Еще рано об этом говорить, но такая возможность действительно существует.”
Основными препятствиями на пути разработки анализов крови для применения в практике остаются их стоимость и скорость, а судьба медико-технологической компании Theranos (Пало-Альто, Калифорния, США) предупреждает о возможных последствиях излишней “раскрутки”. Несмотря на значительные инвестиции, эта компания не смогла реализовать свои технологии. Но даже по мере совершенствования технологий выявления биомаркеров, такой анализ никогда не станет решающим, утверждает Уэлч, отчасти потому, что он определяет различия между группами здоровых и тяжелобольных людей — а большинство людей входят в так называемую “серую зону”, в которой трудно установить какие-либо закономерности. И даже в том случае, когда анализ крови может предоставить полезную информацию, он не всегда избавляет от необходимости последующих, более инвазивных методов анализа.
В качестве идеального поучительного примера можно привести анализ крови на простат-специфический антиген для выявления рака предстательной железы, говорит Уэлч. В самом начале его клинического применения, аномальные результаты анализа заставляли множество мужчин проходить дополнительные исследования, что сопровождалось излишними финансовыми тратами и беспокойством, даже после того, как исследователи повысили верхнюю границу нормальных значений антигена. Попытки выявить заболевания до их проявления могут привести к тому, что “проблемы со здоровьем станут возникать в жизни людей еще раньше”, говорит Уэлч. «Правда в том, что предсказать будущее очень трудно.”
