Мобильная версия

Газета «Новости медицины и фармации» 4 (567) 2016

Народження системної токсикології

Разделы: Справочник специалиста

Із залученням мільярдів доларів та сотень найкращих дослідників для розробки менш шкідливого замінника куріння, під керівництвом професора Мануеля Пейтша в стінах науково-дослідного центру компанії «Філіп Морріс» у Швейцарії народилася нова наука, що покликана допомогти людству виявляти та скорочувати ризики впливу хімічних елементів на здоров’я людини та екологію.

Аналіз та автоматизація

Системній токсикології як науці всього кілька років. Це поєднання класичної токсикології з кількісним аналізом великих мереж молекулярних і функціональних змін, що відбуваються на різних рівнях біологічної організації. Ми, на жаль, звикли ділити нероздільне — людський організм — на окремі органи та тканини і досліджувати їх окремо. Це неправильно, адже людина — складна дивовижна система, що потребує єдиного підходу. Суспільство вимагає ретельного вивчення потенційних ризиків для здоров’я, пов’язаних із впливом хімічних речовин, що супроводжують нас у повсякденному житті. Це обумовлює збільшення потреби в більш точних і прогностично значущих методиках оцінки ризиків. Саме системна токсикологія пропонує сучасні стратегії для отримання та поглиблення таких знань шляхом об’єднання передових аналітичних і автоматизованих засобів. Крім того, системна токсикологія є засобом ідентифікації та застосування біомаркерів у процесі вдосконалення оцінки безпечності тих чи інших факторів. Тобто системна токсикологія як наука здатна пояснити всім відомі механізми токсикологічного впливу будь-яких згубних чинників: від клітинного стресу до некрозу. Наприклад, усі ми чули, що продукти горіння тютюну несприятливо діють на серцево-судинну або бронхолегеневу систему, але відносно того, що саме відбувається на клітинному рівні, досі існують лише припущення. За допомогою методів системної токсикології вимірюються кількісні системно поширені молекулярні зміни в контексті негативного впливу, а також розшифровується причинно-наслідковий ланцюжок молекулярних подій, що пов’язують зовнішні впливи з несприятливими наслідками. На основі чого вибудовуються математичні моделі, що описують ці процеси в кількісному вираженні.

Протягом десятиліть визначення токсикологічної небезпеки в контексті нормативно-правової оцінки ризику більшою мірою залежало від експериментів на тваринах (in vivo). Вони здебільшого призначені для встановлення дози, при якій речовина провокує патологічний вплив, і дози, нижче якої очікується відсутність негативного ефекту (так званий нульовий рівень шкідливого впливу). Після цього завдяки використанню емпірично отриманих факторів похибки дослідник може вирахувати різноманітні еталонні значення небезпеки, що допомагають оцінити ризик для екології чи здоров’я людини. Незважаючи на недоліки, протягом багатьох років цей традиційний підхід до оцінки токсичності для забезпечення прийнятного рівня захисту людського здоров’я і навколишнього середовища в цілому розглядався як задовільний.

З кінця 80-х років минулого століття багато законодавчих актів, у тому числі Європейського Союзу, почали обмежувати проведення досліджень in vivo. З таким обмеженням можна погодитися, незважаючи на те, що повноцінні замінні методи оцінки комплексних наслідків для здоров’я, таких як хронічна системна токсичність, репродуктивна токсичність і рак, досі не розроблені. Саме тоді (а 2012 рік вважається роком народження системної токсикології) й окреслилась нагальна потреба створити альтернативні методи токсикологічних тестувань та оцінок, які підходять для нормативного прийняття рішень. На той час була обмежена кількість наявних аналітичних і автоматизованих засобів, що були б доцільними для характеристики та моделювання цієї проблеми. Але дуже багато хімічних речовин із навколишнього середовища або залишалися недостатньо вивченими, або щодо них узагалі не було токсикологічних даних у вільному доступі.

Методи системної токсикології

Є кілька необхідних компонентів у концепції системної токсикології. Перший — транскриптоміка, або створення профілю генної експресії. Ця технологія застосовується для вивчення змін в експресії всіх мРНК у популяції клітин, органа або організму. Транскриптомний аналіз є найкращим на сьогодні відомим критерієм ідентифікації порушених біологічних мереж. Нинішня технологічна база транскриптомічних вимірювань для досліджень системної токсикології використовує олігонуклеотидні мікроматриці та, віднедавна, секвенування наступного покоління (NGS).

Другий компонент — протеоміка, що відображає повний набір білків у клітині, органі або організмі. Показникові зміни рівнів і модифікацій білків застосовуються для діагностики захворювань, виявлення наркотиків і вивчення токсичних ефектів. Протеомічна інформація має особливе значення в системній токсикології, оскільки збільшення або зменшення рівнів білка може бути сигнальним механізмом певної хвороби.

Метаболоміка — третій компонент, що включає комплексний і кількісний аналіз усіх метаболітів або низькомолекулярних органічних чи неорганічних хімічних речовин, які є продуктами або субстратами ферментопосередкованого процесу. У контексті системної токсикології метаболоміка є унікальною, оскільки може бути використана для визначення ушкодженого ендогенного метаболіту. З технічної точки зору, метаболоміка найчастіше застосовує ЯМР-спектроскопію та/або метод аналізу MS.

І наостанок, ліпідоміка — повний ліпідний профіль біологічної системи. Встановлено, що зміни ліпідного гомеостазу зумовлюють виникнення кількох патофізіологічних станів. Ліпіди — це не лише основний запас енергії, а й важливий компонент усіх клітинних мембран. Вони підтримують низку сигнальних функцій. Дійсно, глибокі зміни в клітинному та тканинному складі ліпідів відбуваються у відповідь на вплив активних речовин і факторів навколишнього середовища. Таким чином, ліпідоміка є потужним засобом моніторингу загального ліпідного складу на біологічних матрицях і, як було доведено, має великий потенціал для виявлення і визначення біомаркерів, що є показниками токсичності. Наразі розроблено багато методів, заснованих на MS, здатних ідентифікувати й кількісно оцінити сотні видів молекулярних ліпідів. Тобто системна токсикологія значно залежить від автоматизованих методів для управління, аналізу й інтерпретації даних, отриманих за допомогою великомасштабних експериментальних підходів, описаних мною. Кінцева мета полягає в розробці прогностично значущих комп’ютерних моделей, що можуть бути використані для оцінки ризику.

Моделювання токсикологічних процесів

Системна токсикологія ґрунтується на припущенні, що морфологічні та функціональні зміни на клітинному, тканинному й органному рівнях обумовлюються змінами на геномному, протеомічному та метаболічному рівнях і одночасно є їх причиною. Молекулярна система може бути первинно представлена моделями високоорганізованих статичних біологічних мереж, які використовують основні графічні викладки для відображення молекулярної сутності об’єктів (вузлів) і їх взаємодії (граней). Хоча ці базові моделі слугують для відтворення базисної молекулярної схеми біологічної системи, вони є занадто спрощеними за своєю природою, щоб описати токсикологічні метаболічні шляхи і їх динамічний характер. Опис токсикологічного шляху вимагає розробки більш деталізованих, складних автоматизованих моделей за допомогою кодування причинно-наслідкових зв’язків. Такі моделі уможливлюють комп’ютерний аналіз і контекстуалізацію експериментальних даних. Зрештою, описання динамічних токсикологічних процесів вимагає розробки ще складніших моделей завдяки математичному опису динамічної поведінки цих причинно-наслідкових зв’язків. Такі моделі здатні імітувати реальні зміни на молекулярному рівні. А розібравшись з основою, ми поступово дійдемо й до популяційних змін.

Системна токсикологія та проблема куріння

Близько 90 % смертей від раку і половина летальних наслідків від серцевих хвороб не можуть бути пояснені генетичними факторами, тому для них запропонована теорія екологічного походження. Секвенування генома людини дало можливість виявити індивідуальну схильність кожного з нас до певної хвороби шляхом масштабних досліджень генома, але на сьогодні вони пояснили порівняно невелику частину з усього розмаїття поширених хронічних недуг. При цьому спостерігається нестача засобів для оцінки впливу, і тому, наприклад, в епідеміологічних дослідженнях покладаються в основному на анкетування, кілька цільових параметрів і експериментів. Завдання системної токсикології полягало у виборі з тисяч вимірюваних біологічно активних хімічних речовин тієї єдиної, на якій потрібно зосередитися. Оцінюючи біомаркери, дуже важливо відокремлювати ті, що генеруються під впливом навколишнього середовища і врешті-решт призводять до хвороби. Прикладом такого ступеневого підходу до ідентифікації біомаркерів є скринінг кількох тисяч дрібних неполярних молекул у сироватці крові з метою виявлення молекулярного біомаркера схильності до колоректального раку, пов’язаного з низьким сироватковим рівнем протизапальної жирної кислоти GTA-446. Таким чином дослідники науково-дослідного центру «Філіп Морріс» у Швейцарії почали глобально деталізувати проблему шкоди куріння. Наразі завершено кілька масштабних досліджень, основні результати яких вже є доступними для світової медичної спільноти.

Першу фазу досліджень було проведено in vivo. Упродовж 8 місяців здійснювалось порівняння біологічних проявів у трьох групах, які протягом 2 місяців піддавалися дії тютюнового диму. Після цього одна група продовжувала зазнавати впливу цигаркового диму, друга — впливу повітря з аерозолем від альтернативних систем нагріву тютюну (iQOS), а третя — була переведена на вдихання свіжого повітря. Потім було детально вивчено і проаналізовано всі біологічні наслідки для досліджуваних груп та проведено всі належні гістопатологічні дослідження й використано всі методи системної токсикології. Вивчено тисячі молекул, що беруть участь в обміні речовин в організмі, зміну їх кількості та вплив цих змін на різні його параметри.

Згідно з наявними на сьогодні даними, вживання альтернативних систем нагріву тютюну не виявляє значного впливу на молекули й обмін речовин в цілому, крім тих параметрів, на які діє нікотин. Доведено: припиняючи курити або принаймні переходячи на продукти зниженого ризику, можна знизити інфільтрацію запальних клітин і медіаторів у легенях. Звичайно, валідизація результатів наявних in vivo досліджень здійснюється шляхом проведення клінічних експериментів за участі добровольців — повнолітніх курців, яких розподіляють на такі самі три групи. Добровольці регулярно здають кров і піддаються ретельним медичним обстеженням для виявлення відмінностей у стані їх організму з кожним днем експерименту. Уже за першу добу в екс-курців, які перейшли на iQOS, значно знижується рівень карбоксигемоглобіну, що наближається до відповідного показника в людей, які кинули курити. Аналогічні результати протягом трьох днів спостерігаються за кількістю бензолу, акролеїну і 1,3-бутадієну (канцерогенів, які спричиняють рак). Окрім цього, у дослідницькому центрі Cube, розташованому в Невшателі, є лабораторії, що вивчають профіль небезпеки продуктів потенційно зниженого ризику, які компанія створює в пошуках ідеального замінника традиційному курінню цигарок. Отримані результати дуже обнадійливі, однак дослідження все ще тривають, і згодом будуть опубліковані висновки про зниження ризику для здоров’я, ґрунтуючись на всій сукупності доказів.

Системна токсикологія в майбутньому

Ми стоїмо на порозі безпрецедентного перевороту в здійсненні токсикологічного аналізу. Кінцева мета системної токсикології — розробка такої динамічної математичної моделі біологічних мереж, щоб їх відтворення правильно відображало «поведінку» біологічного процесу. Цей процес перебуває нині в стадії становлення і є важливим кроком у системній науці. Одна з ініціатив у цій галузі була запропонована Управлінням з охорони навколишнього середовища США. Вона спрямована на створення віртуальної комп’ютерної ембріональної моделі з метою прогнозування потенційного впливу хімічних речовин із навколишнього середовища на ембріональний розвиток.

Другим прикладом є програмне забезпечення DILIsym — моделювання, тобто багаторівневе відображення медикаментозного ураження печінки. Розробка таких моделей — грандіозна і комплексна справа. Але має пройти певний час, перш ніж вони зможуть бути використані для оцінки ризику.

Необхідна умова — прискорення розвитку адекватних тест-систем для дослідів у пробірці, щоб доповнити та поступово замінити in vivo-моделі. Окрім цього, звичайно, необхідні значні інвестиції урядів по всьому світу в рамках спільних зусиль із розвитку фінансування наукової основи системної токсикології. Наприклад, DARPA (Агентство передових оборонних дослідницьких проектів США) нещодавно інвестувало 70 млн дол. у розвиток «органів на чіпах» протягом найближчих 5 років.

Зрештою, ці міжнародні зусилля повинні бути об’єднані для сприяння реальній зміні парадигми оцінки ризику, що не тільки забезпечить високий рівень захисту громадського здоров’я та навколишнього середовища, а й дасть поштовх до економічного зростання і розвитку світової торгівлі.

Підготував Олександр Велігоцький за матеріалами:

http://www.vz.kiev.ua/nova-charivna-palychka-dlya-nerozumnogo-lyudstva/