Патогенное секвенирование может потенциально применяться не только для определения происхождения эпидемии. Тем не менее на сегодняшний день обычное обследование пациента с серьезной инфекцией включает взятие крови и других жидкостей организма на посев, двухдневное ожидание результатов и последующее определение чувствительности патогена к антибиотикам. А тем временем в этот двух– или трехдневный период ожидания пациент обычно получает большую дозу сильных антибиотиков широкого спектра действия, чтобы «охватить» все возможные патогены, которые могут служить причиной инфекции.
Чтобы понять спасительную силу секвенирования в случае инфекционных болезней, рассмотрим историю Джошуа Осборна, 14-летнего мальчика, который чуть не умер от мозговой инфекции. У него постоянно случались судороги, но диагноз ему поставить не могли, хотя сделали даже биопсию мозга и развернутый анализ крови на наличие патогенов35. Но секвенирование спинномозговой жидкости сразу же показало, что причиной является лептоспира, редкая бактерия, после чего он был успешно вылечен подходящим антибиотиком.
Благодаря использованию секвенирования наши обычные установившиеся практики лечения могут быть радикально изменены. Теперь есть «лаборатория на чипе» – платформы для секвенирования, которые могут быть интегрированы в смартфон или планшет. В будущем, вероятно, появится возможность легко и быстро провести секвенирование патогенов непосредственно во время осмотра. Надо надеяться, что это обеспечит более точное и раннее лечение сепсиса, который дает один из самых высоких показателей смертности.
Рак
Поскольку рак – это болезнь, корни которой уходят в геномику, то в данном случае особенно важны понимание и терапевтический подход. И действительно, с помощью секвенирования тысяч опухолей пациентов, вместе с гаметической (зародышевой) ДНК каждого человека, примерно в 200 генах, отвечающих за опухолевый рост, мы идентифицировали изменения, известные как мутации-водители (драйверы)5, 36. Большинство этих мутаций называются онкогенами; они могут непосредственно управлять формированием опухоли, и их можно лечить адресно лекарственными препаратами. Остальные – это изменения в генах-супрессорах опухолей, например, Р53. Такие лечить гораздо сложнее, поскольку именно утрата ими своих функций позволяет опухоли разрастаться. Лекарственные препараты для усиления биологической функции биологии клеток получить намного труднее, поэтому присутствие генов-супрессоров опухолей в качестве драйверов обычно означает, что нужен какой-то обходной путь, а не прямое воздействие на ген.
Точно так же, как мы определяли ГИС человека, ведется огромная работа по определению ГИС самых типичных видов рака. Этот проект называется «Атлас ракового генома» (Cancer Genome Atlas), он был запущен в 2005 г. и финансируется Национальным институтом здравоохранения США. На рис. 5.6 показаны различные уровни информации, которую собирают для 12 различных видов опухолей. Данные включают мутации, структурные варианты (означающие изменения в количестве присутствующих копий гена), экспрессию гена, метилирование ДНК, белки (RPPA представляет белковый биочип обратной фазы) и клинические данные. На основании расширенных исследований омик можно определить основной биологический путь или пути развития рака конкретного человека. Это ведет к возможности подобрать определенный лекарственный препарат, нацеленный на мутацию-водителя или путь5.
В то время как подбор лекарственного препарата к мутации-водителю дает поразительно быстрый результат и часто приводит к полному рассасыванию опухоли за несколько недель, обычно остается серьезная проблема рецидива через 9−12 месяцев. Типичный пример этого явления наблюдается, когда лекарственный препарат нацелен на мутацию BRAF, присутствующую или вызывающую болезнь более чем у 60 % людей с метастатической меланомой. Одно из важных объяснений этого рецидива или стойкого сопротивления лечению связано с генетической гетерогенностью рака. Когда проводится секвенирование отдельных частей опухоли, обнаруживаются заметные различия в мутациях. Эта проблема усугубляется после того, как рак метастазирует, поскольку мутации метастатических поражений отличаются от обнаруженных в месте первичного появления опухоли. Вероятно, для достижения долгосрочного эффекта терапии необходима комбинация лекарственных препаратов, нацеленных на различные мутации и пути, в соответствии с ГИС-подходом, учитывающим гетерогенность. Это сродни подходу, который оказался успешным при борьбе с вирусами гепатита C и ВИЧ: тогда очень эффективными показали себя комбинации из трех или четырех лекарственных препаратов. Но еще больше усилий потребуется, чтобы выяснить, поддастся ли рак комбинированной терапии, как получилось с вирусами.
В настоящее время большинство врачей и больниц в лучшем случае предлагают лишь выявление точечных мутаций, ограничиваясь HER2 в случае рака груди или KRAS в случае рака кишечника, несмотря на возможности ГИС-подхода. Большинство учреждений, практикующих ГИС-подход, – это научные центры, и делают они это в рамках исследований. Лишь некоторые начали предлагать секвенирование в ходе клинического ведения раковых больных. Одна из компаний, Foundation Medicine, инициировала коммерческий продукт – ограниченное секвенирование примерно 300 генов опухоли, чтобы определить присутствие вероятных мутаций-водителей37. Первые результаты по более чем 2000 пациентов выглядели многообещающими для выявления виновных раковых генов, но для того, чтобы показать, что эта информация ведет к улучшению результатов в сравнении со стандартно используемым подходом (не-ГИС), понадобятся клинические испытания. Далее, учитывая, что оценивается лишь ограниченное число генов (300 из 19 000, или 1,6 %), остальная часть генома, составляющая 98,5 %, остается темной материей, и мы вполне можем предположить, что такой выборочный ГИС-подход, вероятно, пропустит важные данные. Например, мы уже знаем, что есть много некодируемых (не-генных) элементов в зародышевой ДНК пациента. Тем не менее, хотя стратегия секвенирования Foundation Medicine имеет много ограничений, она представляет ключевое направление для будущего.
В отношении рака есть еще два вдохновляющих достижения. Одно из них связано с диагностикой или наблюдением за опухолью, в этом случае используется «биопсия жидкости» опухоли, получаемой из крови. Как упоминалось ранее, у подавляющего большинства раковых больных в плазме присутствует опухолевая ДНК, которую можно легко выделить из крови и секвенировать. Вполне вероятно, что это будет частью ГИС рака в будущем.
Другая область, где наблюдается гигантский прогресс, – это раковая иммунотерапия, о ней рассказывается в статье «2013. Прорыв года» (2013 Breakthrough of the Year), опубликованной в журнале Science38. В отличие от подхода к лечению рака с помощью геномики, здесь осуществляется воздействие на иммунную систему путем блокирования молекул, которые обычно тормозят иммунный ответ. Явный успех клинических испытаний был подтвержден в случаях разных видов метастатического рака, включая меланому, рак легких и почек. Но показатель отклика варьирует между 20 % и 30 %, так что нам еще нужно узнать, какие факторы могут говорить о потенциальном результате лечения конкретного человека. Кроме риска, связанного с вмешательством в иммунную систему, эти средства иммунотерапии очень дороги – один только препарат ипилимумаб стоит свыше $120 000. На самом деле стоимость – это главная проблема: почти все лекарственные препараты против рака для лечения на основе геномики обходятся более чем $100 000 за курс лечения. Поэтому персонализированная медицина настоятельно требуется с другой точки зрения – с точки зрения экономичного использования новых, основанных на биологии, видов терапии.
Молекулярная диагностика
По мере закрепления ГИС-подхода к раку естественно применять его к любым медицинским диагнозам. Возьмем, например, диабет 2-го типа, на самом деле это название служит общим термином для разнообразных проблем, связанных с сахаром в крови: устойчивость к инсулину, дефектный ионный канал, аномальный адренергический рецептор, аномальная чувствительность к глюкозе и т. д. Дело не только в механизме(-ах), свою роль может сыграть и наследственность. Недавно было обнаружено, что обычные варианты последовательности в гене-переносчике растворенных веществ (SLC16A11) и редкий вариант в другом гене (HNF1A) увеличивают риск диабета у мексиканцев и латиноамериканцев39, 40, а обычный вариант гена (TBC1D4) у гренландцев мешает проникновению сахара в мышцы и увеличивает риск диабета в 10 раз41. Тем не менее при клиническом наблюдении человека с диагнозом «диабет» мы ничего не делаем для того, чтобы понять причину его возникновения, и пытаемся лечить его наугад. Существует 14 различных классов лекарственных препаратов для лечения диабета, поэтому гораздо более разумный ГИС-подход мог бы стать весьма информативным для эффективного лечения. Вероятно, существует по крайней мере столько же молекулярных подвидов диабета, сколько классов лекарственных препаратов – для лечения этого заболевания. Кроме геномной характеристики использование датчика для постоянного измерения количества сахара в крови даже в течение ограниченного периода времени, от нескольких дней до недель, даст детализированные данные о регулировании сахара в крови у отдельного человека. Проведен ряд исключительных исследований, основанных на омиках, которые подразделяют обычные болезни на отдельные молекулярные подвиды; список постоянно растет и включает астму, рассеянный склероз, ревматоидный артрит, рак кишечника и рак шейки матки. Трудно вообразить какой-либо обычный медицинский диагноз, который сегодня не слишком упрощен и не является редукционистским обобщенным термином, неприемлемым в эру медицины, который готов для ГИС.
