Menu

Badania całego genomu, czyli jak rozszyfrować genetyczną enigmę i skutecznie leczyć choroby nowotworowe

20.08.2021

MNM Diagnostics badania całego genomu – ilustracja poglądowa

Badania, które wykorzystują sekwencjonowanie całego genomu, są w stanie dostarczyć informacji umożliwiających zdiagnozowanie wielu rzadkich chorób genetycznych. Są niezbędnym elementem nowoczesnej diagnostyki i leczenia nowotworów. Medycyna personalizowana oparta jest na doborze skutecznego leku w oparciu o analizę całego genomu pacjenta. To właśnie geny podpowiadają, jak skutecznie leczyć pacjenta, a jakich leków należy unikać, bo nie tylko nie będą działać, ale mogą być nawet toksyczne.

Sekrety naszego genomu

MNM Diagnostics specjalizuje się w diagnostyce onkologicznej opartej na analizie całego genomu. To jeden z pierwszych ośrodków na świecie, w których możliwe jest wykonanie tak kompleksowych i nowoczesnych badań, a dodatkowo są one dostępne dla każdego pacjenta onkologicznego. Na czym polega wyjątkowość tego rozwiązania?

Przede wszystkim na ilości analizowanych danych. Naukowcy z MNMu nie wykonują analizy kilku genów czy nawet wszystkich naszych genów. Analizują od razu cały genom człowieka i jego nowotworu, a to gigantyczna ilość danych. Genom to całość informacji genetycznej zawartej we wszystkich komórkach danego organizmu. Informacja ta jest zapisana na specjalnym nośniku – DNA.

Każda cząsteczka DNA jest zbudowana z miliardów małych elementów budulcowych, zwanych nukleotydami. To właśnie określona kolejność nukleotydów niesie ze sobą faktyczną informację, niezbędną dla prawidłowego działania komórek organizmu. Odczytanie dokładnej sekwencji wszystkich nukleotydów w DNA danego organizmu to właśnie sekwencjonowaniem całego genomu. Co ciekawe, tylko nieco ponad 1% genomu koduje informacje o budowie konkretnych białek. Oznacza to, że zaledwie około 1% naszego genomu stanowią geny!

Funkcje pozostałych 99% genomu przez wiele lat pozostawały nieznane, a niektórzy naukowcy uważali nawet, że sekwencje niekodujące są bezużyteczne. Powstał niezwykle mylący termin „junk DNA”, czyli śmieciowe DNA, na opisanie tego, czego po prostu nie rozumieliśmy. Dopiero niedawno udowodniono, że wiele z tych sekwencji pełni kluczową rolę w regulacji całej genetycznej maszynerii.

Badać wybrany gen, kilka genów, czy cały genom?

Sekwencjonowanie całego genomu (ang. whole-genome sequencing, WGS) w celach diagnostycznych nadal pozostaje dla sporej części środowiska medycznego w sferze abstrakcji. To bardziej element filmów SciFi, a nie rzeczywistości.

Do diagnozowania chorób genetycznych w najnowocześniejszych placówkach Polski najczęściej nadal wykonuje się badania oparte na sekwencjonowaniu jednego lub kilku wybranych genów (około 0,001% genomu), w najlepszym wypadku całego eksomu (około 1% genomu). Takie badania często wystarczają, gdyż znając dolegliwości pacjenta, wybieramy do analizy tylko te geny, które są istotne. Pozwala to zaoszczędzić i czas, i pieniądze, co ma ogromne znaczenie, ponieważ płatnikiem są często sami pacjenci.

Technika sekwencjonowania wybranych genów lub eksomu ma jednak wiele ograniczeń. Przy jej pomocy ciężko jest uchwycić na przykład większe nieprawidłowości, takie jak mutacje zwane rearanżacjami strukturalnymi w genomie, które polegają na zmianie w strukturze DNA i mogą obejmować na przykład wycięcie danego fragmentu lub jego powielenie. Dodatkowo technika ta pomija w całości regiony niekodujące, które często zawierają informacje regulujące działanie poszczególnych genów.

Dlaczego te elementy są tak istotne? Informacja zawarta w DNA to jedna rzecz, ale to, jakie białka będą się pojawiać w danej komórce, to zupełnie inna sprawa. Różne komórki mają różne potrzeby, nie sposób zatem porównać komórkę mięśnia szkieletowego do komórki wątroby. Mają zupełnie odmienne funkcje i różną budowę, a wobec tego i regiony DNA kluczowe dla funkcjonowania danej komórki będą zupełnie inne. To dopiero wierzchołek góry lodowej, bo najtrudniejsze do zrozumienia pozostają procesy zachodzące w komórkach nowotworowych, a wobec tego również i genom takich komórek. Każdy nowotwór jest bowiem chorobą naszego genomu, rozwija się za sprawą pewnych mutacji genetycznych.

„Dzisiejsza diagnostyka genetyczna opiera się na analizie maksymalnie kilkudziesięciu genów. Niedługo standardem będzie coraz większy panel genetyczny, a w konsekwencji analizowany będzie cały eksom. I dalej ze względu na ograniczenia wynikające z sekwencjonowania wyłącznie eksomu, dojdziemy w końcu do momentu, w którym to badanie całego genomu będzie pełniło kluczową rolę. Postanowiliśmy pominąć te wszystkie etapy przejściowe, zużywające niepotrzebny czas i finanse, i zaoferować pacjentom od razu tą największą, najbardziej złożoną i zarazem najpełniejszą diagnostykę.” – mówi dr Paweł Zawadzki, CEO MNM Diagnostics.
Naukowiec przekonuje, że sekwencjonowanie całego genomu może być tańsze niż analiza jedynie wybranych genów, a uzyskane informacje mogą znacząco wpłynąć na zdrowie pacjentów onkologicznych, a nawet uratować im życie.

Złożone algorytmy i wnikliwa analiza

W tej chwili zespół MNM Diagnostics tworzy kilkadziesiąt osób, przy czym część działa bezpośrednio przy genomach pacjentów onkologicznych, a część nieustannie rozwija stosowane w firmie autorskie narzędzia diagnostyczne. Są tak dobre i nowoczesne, że zainteresowały się nimi już największe firmy farmaceutyczne świata, bo pozwalają wyczytać z genomu kluczowe informacje dotyczące np. najlepszych metod leczenia danego pacjenta.

Swoje siły na interdyscyplinarnym polu walki łączą bioinformatycy i programiści, którzy cały czas poznają tajniki genetyki, oraz biolodzy i lekarze, którzy muszą doskonale rozumieć cały zautomatyzowany proces analizy pojedynczej próbki.

„Sekwencjonowanie próby to dopiero początek. Wyniki trzeba znormalizować oraz zastosować odpowiednie filtry, żeby analityk był w stanie wyciągnąć jakiekolwiek informacje z pliku. Na tym właśnie polega moja praca – opracowuję i ulepszam algorytmy bioinformatyczne, pozwalające wyłowić informacje diagnostycznie użyteczne i oddzielić je od tych, które nie niosą istotnych dla pacjenta treści” – wyjaśnia Dawid Sielski, jeden z najdłużej pracujących w MNMie programistów.

Ogrom wyzwania, którego każdego dnia podejmują się bioinformatycy z MNMu obrazuje fakt, że nasz genom składa się z 3.2 miliarda par nukleotydów, czyli niewielkich związków chemicznych, które niczym cegły budują DNA. W celu przeprowadzenia badań diagnostycznych, cały genom pacjenta musi być przyrównany do genomu referencyjnego – lub jego własnego, zdrowego genomu.

Dwa genomy różnią się od siebie nawzajem średnio o 1%, co w praktyce daje nam około 4 milionów liter (cegieł), które będą odmienne. Taka zmiana pojedynczego nukleotydu nazywa się wariantem genu. Zwykle nawet nie wiemy, że mamy takie zmiany, bo nie wywołują one żadnych objawów, jednak zdarzają się sytuacje, w których mogą być przyczyną poważnej choroby. W wielu przypadkach to właśnie pewne warianty genów odpowiadają za stopień aktywności enzymów, co może się przyczyniać do odmiennego metabolizowania tego samego leku przez dwie różne osoby.

Każdy nowotwór jest chorobą genetyczną

Wnikliwa analiza genomu nowotworowego pomaga w doborze skutecznej metody leczenia dla każdego pacjenta indywidualnie, a w perspektywie czasu może również pozwolić na wskazanie zupełnie nowych celów terapii. Badaniom podlegają przecież nie tylko sekwencje kodujące białka, ale także wszelkie sekwencje regulatorowe, takie jak miRNA. Wystarczy, że drobny element w tym gąszczu zdarzeń ulegnie rozregulowaniu, a komórka nie może już działać poprawnie. W normalnych warunkach taka wadliwa komórka umiera, ustępując miejsca nowym, jednak komórki nowotworowe mnożą się bez opamiętania. Są niczym śmiertelny pasożyt.

Cały proces transformacji nowotworowej może być niestety wynikiem tylko jednej mutacji i niefortunnego ciągu wydarzeń potem. Taka patologiczna zmiana w genomie może zostać nabyta w ciągu życia organizmu (np. na skutek palenia papierosów) i występować tylko w jednym, określonym miejscu.

Jeśli zatem chcemy zdiagnozować nowotwór i analizujemy jedynie kilka powiązanych z nim genów, istnieje duża szansa, że test nie przyniesie nam żadnej odpowiedzi. Może się okazać, że sekwencja w analizowanych, wybranych genach jest poprawna, a gen i tak jest niefunkcjonalny, bo mutacja znajduje się zupełnie w innym miejscu odpowiedzialnym za regulację. Dlatego właśnie patrzenie na genom jako na integralną całość jest kluczem do poznania mechanizmu działania każdego nowotworu.

Jak wygląda procedura badania całego genomu? „Od pacjenta pobiera się dwie próbki: jedną z krwi obwodowej, a drugą z tkanki nowotworowej, zwykle biopsja lub wycinek pobrany podczas operacji. Interesuje nas, jakie mutacje zaszły w komórkach, że aż doprowadziły do powstania guza. Dzięki temu istnieje szansa na precyzyjne wykrycie wadliwego mechanizmu komórkowego, w który można „uderzyć” farmakologicznie w celu zniszczenia wyłącznie komórek nowotworowych.” – mówi dr Maciej Dąbrowski, analityk genomowy, pełniący w MNMie również funkcję głównego naukowca szkolącego lekarzy w całej Polsce w zakresie pobierania i przygotowywania materiału do tak zaawansowanych badań genomowych.

Krok ku przyszłości

Jak zdobyć doświadczenie, poruszając się po białej plamie na mapie? „Oczywiście zaczęliśmy od przeanalizowania naszych własnych genomów, a do dzisiaj mamy już kilka tysięcy pełnych analiz. To jeden z najwyższych wyników na świecie. Dla nas to również ilość wystarczająca do tego, żeby wiedzieć, w jaki sposób powinniśmy ulepszać nasze narzędzia. Pozostajemy w stanie ciągłego zdobywania wiedzy i udoskonalania” wyjaśnia dr Paula Dobosz, dyrektor rozwoju naukowego w MNM Diagnostics.

Całogenomowe badania diagnostyczne nie są dziś powszechne, ale świat naukowy nie ma już wątpliwości, że wkrótce staną się codziennością w diagnostyce. Pierwszym prezydentem, który dostrzegł wartość takich analiz, był Prezydent Barack Obama, który osobiście brał udział w stworzeniu wielu ustaw i przepisów związanych z analizą całych genomów, w tym również w inauguracji programu All of Us. Był to pierwszy tak wielki program naukowy, w którym każdy z uczestników otrzymywał pełną informację zwrotną w zamian za oddanie swojego genomu dla nauki. Warto pamiętać, że fakt anonimizacji danych genomowych to procedura istniejąca w celu ochrony samych uczestników badań.


Oszczędności dla systemu, zdrowie dla pacjentów

Jak każda nowoczesna i przełomowa technologia, tak i diagnostyka całogenomowa ma swoje minusy. Pierwszym z nich jest konieczność wykonywania badania w oparciu o DNA wyizolowane ze świeżego materiału, zatem fragment tkanki guza z bloczka parafinowego absolutnie się nie nadaje, bo uszkodzenia DNA są zbyt wielkie. Drugim są wysokie koszty, które niestety wciąż ponosi pacjent. Wysoka skuteczność metody sprawia jednak, że coraz więcej ośrodków klinicznych decyduje się jednak na wprowadzenie diagnostyki całogenomowej do swojej oferty, szukając wraz z pacjentami możliwości ich sfinansowania.

Dlatego następnym krokiem z pewnością będzie wdrożenie analizy całego genomu pacjentów do systemowej opieki zdrowotnej, co pozwoli na gigantyczne oszczędności finansowe dla systemu poprzez zwiększenie skuteczności leczenia, spadek czasu hospitalizacji czy zwiększenie długości życia pacjentów.

Pierwsze takie próby już obserwujemy w Holandii i Wielkiej Brytanii. Naukowcy z Wysp Brytyjskich zainspirowani zakończonym w 2012 roku Projektem Poznania 1000 Genomów (ang. 1000 Genomes Project), postawili sobie poprzeczkę niezwykle wysoko i chcą przeanalizować ich aż pięć milionów. Do projektu może zgłosić się każdy pacjent NHS (ang. National Health Service), czyli publicznej służby zdrowia na Wyspach. Świat nauki z niecierpliwością czeka na wyniki. Z zespołem MNM na czele.


Źródło:

  1. MNM Diagnostics
» więcej aktualności medycznych

Obserwuj Onkonet na Facebooku

Preparat Nutridrink do leczenia żywieniowego firmy Nutricia

preparat do leczenia żywieniowego Nutridrink firmy Nutricia