Биоинформатика для биомедицины
«Наш подход продуктивен как для лечения рака, так и для геронтологии»
В нашем проекте «Где рождается наукоемкий бизнес?» ученые в своих лабораториях рассказывают о перспективных исследованиях, разработках и их технологическом применении в различных сферах бизнеса. В этом выпуске мы побеседовали с доктором технических наук, заведующим кафедрой медицинской физики, биофизики и планирования лучевой терапии Федерального медицинского биофизического центра имени А.И. Бурназяна Николаем Борисовым.
По первой специальности я специалист по вычислительной математике, то есть по применению математических методов для расчетов различных, как правило, очень сложных задач. Тем не менее в биологических и медицинских науках применение таких методов до самого недавнего времени было ограничено.
О доминировании биологии в науке XXI века
Биологические явления очень сложные, системные. А система – это объект, который состоит из таких частей, что поведение целого невозможно понять и описать, исходя из изучения только поведения частей. Целое ведет себя как результат сложного взаимодействия частей, а не как простая механическая сумма поведения каждой из частей.
Из этого системного уровня организации любого биологического объекта возникала проблема адекватного математического описания биологических объектов. И математики впадали в две крайности, которые не были удовлетворительными ни для биологии, ни для потребностей практической жизни. Либо математик начинал вдаваться в частности, описывал поведение частей, изучал их поведение с максимально возможной степенью детализации, но за деревьями не видел леса, потому что биологическое явление – системное. Либо математик делал описание на очень высоком, предельно высоком уровне, и те важные детали, которые определяют взаимодействие частей целого, при таком описании с неизбежностью терялись.
Тем не менее сам по себе характер развития науки, который четко вырисовался уже к началу XXI века и который подтверждается всем сложным процессом развития науки, показывает, что наш век может быть и должен быть веком безраздельного доминирования биологии в научном познании мира.
Если сравнивать количество выделяемых денег, количество работающих сотрудников, количество выходящих статей, то где-то три четверти мировой науки составляет биология, прежде всего молекулярная и клеточная как низкоуровневая основа описания жизни. Оставшуюся четверть занимают науки о материалах.
Те науки, которые когда-то были наиболее финансируемыми, – это и физика, и инженерия – в XXI веке и не могут быть флагманом развития науки. Математикам надо тоже подстраиваться под огромное количество экспериментальных биологов, которые изучают мир своими экспериментальными методами. Математикам надо идти в биологию и описывать медицинские проблемы, которых на самом деле очень много.
О научных методах в фармацевтике
Идея лечения больного, а не болезни, о которой еще в древнем мире говорил и Гален, и Авиценна, долгое время оставалась только благим пожеланием. Врач-клиницист не может использовать все современные методы обследования, которые позволяют найти персональный характер того или иного заболевания.
С другой стороны, параллельно и в тандеме с клиницистами работают фармацевты и фармакологи. В фармацевтике тоже случился очень сильный кризис применения научных методов, в том числе и математических. В частности, причины этого были очень похожи на то, что мы наблюдали в биологии. В фармацевтике были известны методы так называемой квантовой химии, то есть самые подробные, самые низкоуровневые, самые фундаментальные, с помощью которых можно было описывать характер взаимодействия молекулы с молекулой, атома с атомом. Но тем не менее даже методы квантовой химии переставали работать, когда речь заходила о поиске новых лекарственных форм.
Опять же слишком большая, слишком низкоуровневая детализация вредила методам квантовой химии. Свойства каких-то частей молекул можно было описать. Даже можно было свойство какой-то отдельной молекулы описать, но тем не менее предсказать биологическое воздействие этой молекулы на клеточном уровне, а тем паче на организменном уровне, методами квантовой химии оказалось невозможно.
Тем не менее помощь подошла со стороны биологов. Если мы говорим о том, что каждый фармацевтический агент действует на молекулярном уровне, то клетка представляет собой сложную систему молекулярных машин. Взаимодействие молекул определяет судьбу этой клетки. Если мы говорим, например, о лечении рака, то такие взаимодействия молекул, как сигнальные клеточные пути, определяют митотическую судьбу клетки: клетка может пойти в дифференцировку, в апоптоз, в некроз, в бесконтрольное деление, как это делает раковая клетка.
О математических моделях взаимодействия белков
Биологам уже к началу века были известны сотни сигнальных путей, каждый из которых содержит сотни взаимодействующих молекул. Для описания белок-белкового взаимодействия и биологами, и математиками использовались низкоуровневые методы, когда взаимодействие молекулы с молекулой описывалось простым законом действующих масс. Таким способом создавались сложные математические модели взаимодействия белка с белком, которые в конце концов приводили, например, к делению, апоптозу или дифференцировке клетки.
Тем не менее даже такой более высокоуровневый, по сравнению с квантовой химией, метод так называемой интерактомики оказался слишком высокоуровневым для описания клинического эффекта такой болезни, как рак.
Идея, которой следует наша лаборатория уже шестой год, заключается в том, чтобы описывать сигнал как можно менее подробно с точки зрения белок-белковых взаимодействий, но таким способом, чтобы отличать роль каждого белка и каждого гена в сигнальном пути и роль каждого сигнального пути в создании клинической картины рака.
Нам удалось несколько лет назад подобрать такой компромиссный подход, который оказался очень успешным для описания интегральных патологических изменений в сигнальных путях у раковых больных, которые мы продемонстрировали экспериментально.
Не секрет, что в области биологии, в отличие, например, от физики, измерительная аппаратура хотя и использует те же физические фундаментальные законы, тем не менее сильно зависит от большого количества системообразующих факторов. И выход сигнала биологической измерительной аппаратуры, в частности аппаратуры для исследования транскриптома, то есть всей совокупности матричной РНК клетки, которая дает представление о картине экспрессии всех генов в клетке, сильно зависит от аппаратуры производителя, от калибровочных кривых, от методов, которые описываются и используются в этой аппаратуре.
Поэтому результаты измерений с помощью этой аппаратуры, результаты обследований являются несопоставимыми и непереносимыми с аппаратуры одного производителя на аппаратуру другого производителя.
О новых подходах в онкологии и геронтологии
Что показали наши математические обработки этого сигнала? Что наша функция, с помощью которой мы подвергаем преобразованию этот сырой сигнал, поступающий с аппаратуры, позволяет выделить патологический характер патологических изменений в сигнальных путях, который выделяет этот сигнал на фоне шумов, случайным образом вносимых разными типами аппаратуры и разными методами исследований.
Нами было показано, что применение наших математических фильтров и агрегация информации в функции, которые оценивают патологические изменения в сигнальных путях, является достаточно стабильной и не зависит от метода исследования.
Но главным образом она зависит от нозологического типа рака. То есть для меланомы будет свой, для рака желудка свой, для рака почки свой, для астроцитомы свой. Таким образом, мы нашли не зависящий от физической платформы способ математической интерпретации сигнала, который позволяет выделить биологическую природу данного типа рака. Это позволяет надеяться на создание устойчивого маркера для предсказания клинической эффективности данного препарата для данного больного, то есть фактически для диагностики индивидуальных показаний к назначению того или иного противоопухолевого препарата.
Очень важным является то, что данный подход оказался продуктивным не только для лечения рака, но и, в частности, для геронтологии, для изучения профилактических свойств препаратов-геропротекторов, которые в идеале должны возвращать сенильные измененные сигнальные пути в их ювенильное состояние.
Поэтому параллельно с нашим проектом OncoFinder, который функционирует уже три года, в прошлом году мы начали развивать тот же подход в проекте, который получил название Geroscope, для исследования свойств геропротектора, для диагностики индивидуальных показаний и для назначения геропротекторов возрастным пациентам.
Математическое наполнение и базы данных для проектов Geroscope и OncoFinder являются во многом общими. Эти проекты развиваются нами в тандеме. Около года назад нам удалось найти инвестора под нашу программу. Изыскательные работы продолжаются. Продолжаются как эксперименты in vitro, так и накопление клинического материала, связанного с оказанием консультативных услуг врачам-клиницистам по назначению противоопухолевых препаратов тем или иным раковым больным.
О перспективах в фармацевтике и коммерческих услугах
Фармацевтика оказалась в некотором тупике. Математическое обеспечение для нее застопорилось на уровне квантовой химии. Но квантовой химии оказалось недостаточно. Слишком детализированное, слишком подробное описание процесса.
С помощью квантовой химии можно предсказать ингибиторные свойства какой-либо молекулы, а вот ее биологические свойства возможно будет предсказать с помощью наших больших баз данных, ориентированных на OncoFinder и Geroscope. Таким образом, мы можем оказывать услуги не только клиницистам, но и фармацевтам в поиске новых типов молекул, лекарственных форм, которые могут иметь большую клиническую эффективность для больших кластеров типов рака.
Коммерческой услугой является оказание консультативных услуг врачам для назначения противоопухолевых препаратов и тем более поиск перспективных фармацевтических форм. В первую очередь в коммерческом характере оказания таких консультативных услуг врачам заинтересовано государство, потому что курсы лечения противоопухолевыми препаратами стоят дорого. Иногда, если это новый препарат, стоимость сопоставима со стоимостью квартиры в Москве, а больному, например, могут предложить в обмен на это только несколько месяцев жизни, и для подавляющего большинства такая трата денег неприемлема. Государство компенсирует эти траты с помощью страховых фондов, различных квот. Но государство заинтересовано в том, чтобы эти деньги были потрачены с результатом, и больного действительно удастся вылечить.
Учитывая, что себестоимость обследования, которое мы проводим, составляет лишь незначительную часть от стоимости всего курса лечения, государство очень сильно выиграет, если будет применять наши методы обследования с диагностикой показаний индивидуального назначения препаратов. От лечения вслепую, от кладоискательства мы перейдем к сознательному, научно обоснованному лечению.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
24.09.2014