Предпринимаются шаги – такие как Проект по обмену результатами клинических исследований, стихийное движение, добровольные инициативы, охватывающие врачей, и пациентов, – чтобы упорядочить результаты секвенирования BRCA сотен тысяч людей и заполнить пробелы в базе наших знаний о BRCA120. Тем не менее потребуется несколько лет, чтобы ослабить смертельную хватку Myriad, присвоившей право интерпретации базы BRCA.
Несмотря на остающиеся нерешенными вопросы, постановление Верховного суда было фундаментальным для демократизации геномной информации. Пусть оно было принято слишком поздно с точки зрения генов BRCA, чтобы избежать монополии на бесценную медицинскую информацию, в наших геномах есть еще 19 000 генов, 40 % из которых уже запатентованы. Оставшаяся часть нашего генома – 98,5 % которого состоит не из генов, – но она невероятно важна для определения нашей уникальной биологии. Благодаря отмене права на патентование генов наша ДНК освобождена от таких сдерживающих факторов в будущем. Экономика секвенирования BRCA уже испытывает на себе ее благоприятные последствия – Medicare уменьшила сумму возмещения на 49 % в 2014 г. (с $2795 до $1440)116. Учитывая все это, неудивительно, что журнал Discover поставил «решение Верховного суда по генам» на второе место среди главных событий в науке121.
В этой главе мы увидели, какое мощное влияние оказали на решение вопроса о публичном доступе к геномной информации один человек, одна компания, два правительственных учреждений (FDA и Верховный суд) и два гена. В тени пока остается укоренившийся медицинский патернализм, в то время как происходит коммуникационная революция, которая несет беспрецедентные данные о состоянии здоровья непосредственно людям. Теперь мы готовы перейти к конкретным видам информации, которая будет становиться все более доступной любому человеку и безвозвратно изменит будущее медицины.
Часть II Новые данные и информация
Глава 5 Моя ГИС Подход: десять на десять
Получить в поисковой системе Google любой маршрут проезда так просто, что вы, вероятно, даже не задумываетесь о том, как это делается. Это классическая географическая информационная система (ГИС) с многочисленными слоями данных – таких как трафик, вид со спутника или вид улицы, – нанесенных на карту. Хотя термин ГИС появился только в 1968 г., первые приложения, которые теперь называются пространственно-временными, были разработаны еще в 1800-е гг.3 Они использовались для отслеживания вспышек заболевания холерой в Париже и Лондоне. Конечно, в наши дни гораздо больше людей пользуются ГИС во время путешествий по дорогам, чем в эпидемиологии, но медицинское применение остается очень важным. Только вместо того, чтобы просто наносить на карту места, где умерли жертвы эпидемии холеры, мы можем сочетать современные инструменты социальных сетей и геномного секвенирования, чтобы определить патогенный штамм, индивидуальную реакцию и точный путь распространения вспышки эпидемии (рис. 5.1)4. Это объясняется тем, что теперь мы можем соединять и интегрировать многочисленные информационные слои, чтобы по сути создать вашу индивидуальную карту наподобие тех, что предлагает Google. История Анджелины Джоли, центром которой была единственная мутация гена BRCA, продемонстрировала роль превентивной медицины в снижении рисков заболеваний среди населения и необходимость массового использования скрининговых технологий. Во многом аналогично этому ГИС миллионов людей становится основным приложением для будущего медицины. Это первая глава раздела книги, каждая из которых начинается со слов «моя» или «мои» и посвящена различным составляющим информации о вас. Ниже мы дойдем до важнейших последствий доступа и владения вашими данными ГИС.
Человеческая ГИС состоит из многочисленных слоев демографических, физиологических, анатомических, биологических данных и данных по окружающей среде (рис. 5.2), касающихся конкретного человека5. Это богатая, широкомасштабная мозаика, представляющая человека, которая может быть использована для определения медицинского портрета человека. Когда данные полностью собраны и интегрированы, получается оцифрованный человек, по крайней мере с точки зрения оказания медицинской помощи.
Паноромный вид
Давайте теперь расшифруем человеческую ГИС, чтобы определить и понять каждый компонент. Суффикс «ом» в каждом из слов указывает на изучение чего-либо. Феном относится ко всем фенотипическим признакам человека, таким как рост, вес, цвет глаз и цвет кожи. Мне нравится комбинировать феном с социальным графом, это расширяет представления о человеке «при взгляде со стороны» в социальной сети. Физиом – это набор физиологических показателей, таких как пульс и кровяное давление. Анатом – наша индивидуальная анатомия. Геном относится к 6 млрд букв, образующим последовательность ДНК. Точно так же остальные биологические «омы» – это протеом, все наши протеины; метаболом, наши метаболиты; микробиом, представляющий микробов, которые живут в нас; и эпигеном, состоящий из ответвлений ДНК и показывающий, как они располагаются. Наконец, есть еще и экспосом, относящийся к нашему окружению, всему, с чем мы сталкиваемся. Для обозначения их всех вместе я придумал слово «паноромный» – как производное от слова «панорамный» и означающее обилие информации и охват многих тем5. Паноромный вид каждого человека дает исчерпывающее представление обо всех «омах», относящихся к здоровью и медицине.
Социальный граф и феном
Термин «социальный граф» подразумевает обширную информацию, включая демографические данные, место жительства, семью и друзей, друзей друзей, интересы, пристрастия, образование, домашних животных, фотографии, видеозаписи и многое другое. Это именно такая информация, которая хранится на сайтах типа Facebook, и этот факт не ушел от внимания исследователей. Выдающийся математик Стивен Вольфрам, создатель базы знаний и вычислительных алгоритмов (computational knowledge engine), известной как Wolfram Alpha, разработал потребительский программный продукт, своего рода личную аналитику для Facebook. Буквально в течение минуты он выдает невероятный набор данных и графиков о вас и ваших социальных связях – сам Вольфрам называет это «приборной панелью для жизни»6, 7. Если вы зарегистрированы на Facebook и не сталкивались с ним, советую посмотреть ваш личный вариант, это бесплатно: http://www.wolframalpha.com/facebook/. От того, что вы увидите, вам может стать немного не по себе, поскольку программа извлекает всю информацию, которую вы когда-либо размещали на Facebook, создает облачное хранилище всех ваших постов, их точного времени и содержания, лайков и комментов, сделанных вами, а также ваших постов, получивших наибольшее количество комментариев, демографических данных по всем вашим друзьям, включая их местонахождение на карте мира, их местное время и дни рождения, карты ваших социальных связей и отдельно друзей и семьи, соседей, социальных коннекторов (связных), инсайдеров (людей с большим количеством общих друзей) и аутсайдеров (тех, у кого с пользователем минимум общих контактов).
Мы знаем, что в социальных сетях есть важные группы, объединенные вопросами здоровья, как убедительно доказывают Николас Кристакис и Джеймс Фаулер в своих впечатляющих публикациях и книге «Связанные»[21] (Connected)8. Эти социологи, а вслед за ними и многие другие обратили внимание на значение влияния наших социальных графов на ожирение, курение и большинство других аспектов поведения и образа жизни. По мере расширения разновидностей данных, и все более активного обмена ими, растет и потенциал социальных сетей с точки зрения их роли в здравоохранении будущего. Тем не менее медицинское сообщество до сих пор обычно не отдает должного этой информации как важнейшей базе данных о состоянии здоровья людей.
Если говорить о феноме, то когда требуются демографических данные и клинические характеристики, то по традиции мы привыкли полагаться на записи в медицинской карте. Они включают возраст, пол, род занятий, наследственность, прием лекарственных препаратов, заболевания, операции и процедуры. В истории болезни есть и физические характеристики, такие как рост, вес, внешний вид и важнейшие признаки. По сути мы получаем феном из этой информации – «смесь поддающихся наблюдению характеристик и особенностей человека»9. Примечательно, что фенотип любого человека, в особенности по мере взросления и старения, не остается неизменным. Скорее, можно говорить о многочисленных состояниях, поэтому индивидуальный феном не такое однозначное понятие, как может показаться. Например, кровяное давление обычно поднимается с возрастом, в то время как острота зрения снижается. В идеале когда-нибудь полный набор данных обо всех будет собран в одном месте как феном каждого человека – социальный граф плюс традиционная информация из истории болезни в медицинской карте – и будет постоянно обновляться. В то время как социальный граф является вспомогательным и второстепенным по отношению к феному, социальные связи человека, безусловно, играют важную роль в его здоровье.
Если говорить о феноме, то когда требуются демографических данные и клинические характеристики, то по традиции мы привыкли полагаться на записи в медицинской карте. Они включают возраст, пол, род занятий, наследственность, прием лекарственных препаратов, заболевания, операции и процедуры. В истории болезни есть и физические характеристики, такие как рост, вес, внешний вид и важнейшие признаки. По сути мы получаем феном из этой информации – «смесь поддающихся наблюдению характеристик и особенностей человека»9. Примечательно, что фенотип любого человека, в особенности по мере взросления и старения, не остается неизменным. Скорее, можно говорить о многочисленных состояниях, поэтому индивидуальный феном не такое однозначное понятие, как может показаться. Например, кровяное давление обычно поднимается с возрастом, в то время как острота зрения снижается. В идеале когда-нибудь полный набор данных обо всех будет собран в одном месте как феном каждого человека – социальный граф плюс традиционная информация из истории болезни в медицинской карте – и будет постоянно обновляться. В то время как социальный граф является вспомогательным и второстепенным по отношению к феному, социальные связи человека, безусловно, играют важную роль в его здоровье.
Датчики и физиом
Возможно, самый большой шаг вперед в отслеживании индивидуальной информации в последние годы обязан появлению невероятного количества биодатчиков. Теперь есть беспроводные датчики, которые либо уже доступны, либо проходят клинические испытания. Их закрепляют на теле человека, и с помощью смартфона они улавливают физиологические данные: кровяное давление, сердечный ритм, число дыханий в минуту, концентрацию кислорода в крови, изменения частоты сердечных сокращений, минутный сердечный выброс и систолический объем, кожно-гальванический рефлекс, температуру тела, глазное давление, количество сахара в крови, волны, излучаемые мозгом, внутричерепное давление, мышечные движения и многие другие показатели. Микрофон смартфона можно использовать для получения количественных характеристик, связанных, например, с дыханием и голосом, и тем самым определить расположение духа человека или диагностировать болезнь Паркинсона или шизофрению10, 11. Дыхание человека можно оцифровать для измерения большого количества составляющих, таких как окись азота или химические элементы органического происхождения, позволяя смартфонам отслеживать дыхательную функцию или диагностировать определенные виды рака. Кроме всех этих не инвазивных датчиков, которые можно носить на себе, разрабатываются наночипы, которые можно будет вводить в кровоток, чтобы отслеживать появление опухолевых ДНК, активировать иммунитет или геномные сигналы, указывающие на приближение сердечного приступа или инсульта. Независимо от того, собираются ли такие данные с биодатчиков время от времени или непрерывно, они обеспечивают обзор функций организма, показывая все системы органов и их состояние. В наши автомобили встроено примерно 400 датчиков, в наши смартфоны – более 10. Так почему бы и нам не иметь их в наших телах?
Визуализация и анатом
Магнитно-резонансная томография, компьютерная томография, ядерное сканирование и ультразвуковые исследования обеспечили поразительные возможности для определения анатомии человека (здесь мы называем ее «анатом» для обозначения изучения анатомии того или иного человека) – без хирургического вмешательства. Усредненная анатомия человека не учитывает его индивидуальности; именно поэтому исключительно важно определение анатома тела конкретного человека. Но традиционные методы передачи изображений предполагают доступ к дорогому оборудованию, которое находится в больницах и клиниках. Появление и использование карманных устройств для получения результатов ультразвукового или рентгеновского исследований с высоким разрешением меняет картину, делая оценку индивидуальной анатомии гораздо более простой, быстрой и дешевой. Теперь смартфон или другое компактное устройство может быть использовано и для проведения физического обследования глаз, ушей, сосудов шеи, сердца, легких, брюшной полости и плода, и для пересылки медицинского снимка, что позволит пациенту полностью рассмотреть свое анатомическое строение на планшете или смартфоне.
Секвенирование и геном
Говоря о геноме, мы подразумеваем последовательность ДНК из 6 млрд букв А (аденин), Ц (цианин), Т (тимин) или Г (гуанин), 98,5 % которых не включает гены; наши 19 000 генов, кодирующих белки, занимают приблизительно лишь 1,5 %, состоят примерно из 40 млн букв генетического кода, и этот компонент известен как экзом12.
За последние 10 лет стоимость секвенирования генома снизилась в 100 000 раз, что значительно превосходит снижение стоимости полупроводниковых чипов, технический прогресс которых до сих пор считался самым быстрым в истории. Стоимость секвенирования человеческого генома упала с $28,8 млн в 2004 г. до менее $1500 в 2015 г.13, 14
Параллельно со стремительным падением стоимости за последние 10 лет заметно расширились наши базы знаний об основных причинах болезней. Обнаружение редких вариантов последовательности, которые объясняют наследственные болезни, основывается на этой технологии и новых знаниях о причинах редких болезней. Способность диагностировать молекулярную основу редких митохондриальных болезней возросла с 1 % до 60 %15 – весьма ощутимые темпы прогресса5. Пройдет еще немного времени, и будут определены генетические предпосылки всех 7000 менделевских заболеваний (болезней, которые наследуются по закону Менделя, следуя классическим образцам наследования, например аутосомно-доминантное или аутосомно-рецессивное наследование)5.
Даже делая успехи в решении некоторых задач, мы обнаруживаем, что наши геномы гораздо сложнее, чем мы думали. Из книги «101 ключевая идея. Генетика 101»[22] (Genetics 101) мы узнали, что у одного человека одна ДНК, что все 37 трлн клеток в нашем теле имеют одну и ту же ДНК. Впрочем, это оказалось неправильно – простой, казалось бы неизменный, архетип мутировал. Секвенирование генома отдельных клеток показало, что мы представляем собой своего рода мозаику16, 17. Например, исследователи из Института Солка секвенировали по одной клетке мозга умерших людей и обнаружили поразительные различия между клетками17. Отчасти эта мозаичность объясняется так называемыми мутациями de novo[23], которые происходят в клетках, когда они делятся на протяжении жизни человека. Мы также узнали о том, насколько разнородны раковые клетки. Поэтому движение от концептуальных рамок секвенирования ДНК отдельного человека к секвенированию клетки уже преподнесло нам некоторые бесценные уроки в отношении заболеваний.
Существуют важные ограничения, связанные с секвенированием, о которых нужно знать. Когда человек проходит секвенирование (некоторые называют его «расшифровкой генома»), обычно примерно 3,5 млн вариантов основных пар сравниваются с эталонным человеческим геномом. Но, как мы уже говорили в связи с BRCA, компанией Myriad Genetics и постановлением Верховного суда, большинство вариантов окажутся так называемыми вариантами неопределенной значимости. О них узнают после того, как пройдут секвенирование миллионы людей с различной наследственностью, с самыми разнообразными множественными заболеваниями, а также члены их семей. Наконец, мы не только представляем собой непостижимые до конца мозаики из ДНК, но мы не все из них можем секвенировать. Хотя и принято использовать термин «полногеномное секвенирование», на самом деле примерно 900 генов из 19 000 недоступны из-за их местоположения или по другим техническим причинам. Так что нам предстоит еще многое узнать о нашем геноме в будущем, и гораздо больше, чем то, чего я коснулся в этом кратком обзоре.
Транскриптом
До того как наши клетки могут что-то сделать с нашей ДНК, они должны транскрибировать ее в РНК. Это известно уже несколько десятилетий, но наше уважение к роли РНК невероятно выросло за последние годы. Были не только обнаружены и охарактеризованы различные формы РНК, но также стало понятнее и их динамическое влияние на правила работы генома. Это и есть транскриптом, и технологии развивались быстро, от первых попыток выявления экспрессии генов по всему геному до секвенирования РНК, которое выявляет гибридные гены и большое количество разнообразных РНК. Многие из них имеют отношение к болезням или профилактике здоровья.
Протеом и метаболом
Мы уже давно оцениваем наличие белков (протеинов) при проведении самых обычных лабораторных процедур, например при исследовании функционирования печени или почек. Но теперь представления о белковой биологии человека заметно расширились, позволяя нам определять взаимодействия белок−белок у человека, а также присутствие аутоантител (антител, направленных против собственных белков человека). Точно так же, используя масс-спектрометрию, можно оценить целый ряд метаболитов (соединений, получающихся в результате нашего метаболизма), которые производит человек в определенный момент. Результат – это широкий обзор с большим охватом, в отличие от оценок одного или группы белков или метаболитов, которые выполняются во время обычных лабораторных исследований. Доступ к целому ряду транскриптов РНК отдельного человека, а также белкам и метаболитам в любой конкретный момент создает невероятные возможности для понимания текущих биологических процессов.