Medycyna spersonalizowana definicja

Co znaczy:

Czas testów DNA już się skończył

Medycyna spersonalizowana

Celem medycyny spersonalizowanej jest umożliwienie lekarzowi podjęcia właściwej decyzji, co do strategii leczenia, w tym ułatwienie wyboru właściwych leków i terapii i uniknięcie niepotrzebnych wydatków albo eliminacja zagrożenia związanego z niewłaściwą terapią.

Sposobem, która ma pozwolić na indywidualne podejście do pacjenta, jest badanie jego genomu. Genom to zapisane w formie chemicznej fundamentalne wiadomości dotyczące budowy i funkcjonowania naszego ciała. Wiadomość ta jest zakodowana w kolejności występowania w łańcuchu kwasu deoksynukleinowego (DNA) czterech liter kodu genetycznego (nukleotydów) - A,C,G,T (sekwencja) i zapakowana wspólnie z tak zwany śmieciowym DNA (który stanowi powyżej 98% naszego materiału genetycznego) w 23 pary chromosomów. wspólnie to jest 6 mld (2 x 3 mld) liter kodu. Wiadomość, którą w tej chwili potrafimy odczytać, zrozumieć i zinterpretować dotyczy ok. 23 000 genów. Każdy gen zawiera wiadomości pozwalające organizmowi na wyprodukowanie jednej z 23 000 cząsteczek - białek, enzymów albo RNA składających się na nasze ciało. Wiekszosc genów (z wyjatkiem tych zlokalizowanych na chromosomie Y u męzczyzn) jest zduplikowana - połowę otrzymujemy od matki, połowę od ojca.

Błędy genetyczne

Błędy w kopiowaniu tego oprogramowania zarówno te ktore przydarzyly się naszym przodkom (mutacje dziedziczne) jak i te powstale w czasie naszego rozwoju zarodkowego (mutacje de novo) wmogą prowadzić do mniej albo bardziej poważnych uszkodzeń metabolizmu, poczynając od nietolerancji laktozy do bardzo poważnych schorzeń, takich jak mukowiscydoza czy dystrofia mięśniowa albo także wręcz do natychmiastowego obumarcia zarodka. Problemy pojawiają się przeważnie, gdy obie kopie genów są uszkodzone. W momencie obecnej znamy 6500 genów, których uszkodzenia mogą powodować dolegliwości W zdecydowanej wiekszosci przypadkow uszkodzenie dotyczy tylko jednej kopi genu i wtedy zyskujemy status "nosiciela" mutacji i raczej nie rozwiniemy objawów dolegliwości.

Problem rozpoczyna się wtedy gdy dwoje nosicieli mutacji w takich samych genach zapragnie miec potomka...

Problem genetycznych chorób rzadkich dotyczy prawie 2 mln Polaków. Statystycznie genom każdego z nas zawiera 8 takich poważnych błędów. I każdy z nich może wywołać np. naszą indywidualną reakcję na podane leki.

Odpowiednikiem jak mutacje wplywaja na nasza indywidualna reakcje na leki (farmakogenetyka) jest naglosniona w prasie kwestia kodeiny. Kodeina powszechnie służąca od wielu lat musi zostać zamieniona w wątrobie na morfinę, by mogła uwolnić nas od bólu. Niestety, z racji na różne warianty genu CYP2D6, niektórzy ludzie dokonują tej wymiany tak błyskawicznie, iż umierają w konsekwencji zatrucia morfiną (dotyczy to 1% Azjatów, 1-10% osób rasy kaukaskiej i 16-28% mieszkańców Afryki), z drugiej strony dla 6-10% osób rasy kaukaskiej, posiadających inny wariant genu, metabolizm jest tak powolny, iż lek ten właściwie nie ma efektu terapeutycznego.

Sekwencjonowanie DNA

Jak uzyskać informację dotyczącą genomu? A więc - jak przepisać kolejność 6 mld nukleotydów z cząsteczki związku chemicznego – DNA, opisanego w 1953 roku poprzez Jamesa Watsona i Francisa Cricka, na prosty zapis literowy? Po raz pierwszy receptę (a nawet dwie) na taką przemianę podano w 1977 roku. Sposób chemiczna, opisana poprzez Allana Maxama i Waltera Gilberta, została wyparta poprzez metodę enzymatyczna, wymyśloną poprzez Fredericka Sangera. Bazując na metodzie Sangera, zmodyfikowanej o użycie barwników fluorescencyjnych, lasera i praca, zbudowano automaty do sekwencjonowania DNA pierwszej generacji. Dzięki tych maszyn została po raz pierwszy ustalona sekwencja genomu człowieka. Powstało kilkanaście modeli maszyn pierwszej generacji różnych spółek, lecz to maszyny spółki Applied Biosystems (aktualnie Life Technologies) pośrodku ostatnich 10 lat zdominowały rynek (w powyżej 90%) i na tych maszynach - w szczególności na flagowym ABI 3730xl - wykonano lwią część wszystkich projektów sekwencjonowania na całym świecie.

Kilkaset takich maszyn pracowało poprzez kilka lat, by odczytać genom. Wydatek przedsięwzięcia wyniósł 3 mld dolarów. by przygotować DNA do odczytania, należało wcześniej powielić osobno każdy fragment DNA sporo mln razy, by uzyskać kilka mikrogramów tak zwany matrycy i wyznakować ją barwnikiem fluorescencyjnym. Powielanie DNA (reakcja łańcuchowa polimerazy, PCR) i znakowanie dzieje się w termocyklerach. W projekcie sekwencjonowania pracowało kilkaset termocyklerów.

Wyścig technologiczny



Rozpoczęty w 1990 roku poprzez amerykański Department of Energy (DOE) we współpracy z National Institute of Health (NIH), Human Genome Project (HGP) formalnie został skończony w 2004 roku. Poczynając od 2000 roku grupy powiązane z HGP publikowały następne, pełne sekwencje pojedynczych chromosomów. Datę 18 maja 2006 roku, kiedy to wykonano pełną sekwencję chromosomu, należy uznać za okres zakończenia projektu. Identyfikacja wszystkich genów człowieka, dająca wyobrażenie o potencjalnych możliwościach diagnostyki i profilaktyki, spowodowała wyścig technologiczny.

W latach 1990–2005 wydatek określenia jednej zasady sekwencji spadł tysiąckrotnie, z 10$ do jednego centa. Za osiągnięcie końcowej ceny sekwencjonowania genomu człowieka -1000$ - ufundowane zostały dwie nagrody: 0,5 mln $ J.Craig Venter Science Foundation i 5,20 mln $ X Prize Foundation. Kilkanaście spółek przystąpiło do technologicznego wyścigu. Kluczową kwotą nie jest jednak pozyskanie grantu czy nagrody za obniżenie wydatków projektów naukowych. Walka trwa o pozyskanie olbrzymiego rynku przyszłości, rynku indywidualnej diagnostyki - podstawy spersonalizowanej medycyny. W momencie obecnej w wyścigu bierze udział ok. 10 spółek.

Maszyny Drugiej i Trzeciej Generacji

W czerwcu 2007 roku podano informacja o zsekwencjonowaniu genomu Jamesa Watsona - odkrywcy struktury DNA. Odczytanie genomu Watsona trwało rok, kosztowało 1 mln $ i zostało wykonane dzięki pierwszego sekwenatora genomowego opartego o metodę pirosekwencjonowania. Niestety, z racji na ograniczenia technologiczne urządzenie nigdy nie będzie w stanie odczytać kompletnego genomu człowieka za jednym uruchomieniem.

Maszyną drugiej generacji, która osiągnęła szczyt możliwości jest Hiseq2000

spółki Illumina. Odczytanie dwóch genomów zajmuje jej 5 dni, przy koszcie odczynnikowym 10 k$ za genom. Jednak to jest jeszcze za wolno i za drogo, by można było myśleć o powszechnej spersonalizowanej medycynie.

Maszyny trzeciej generacji muszą być szybsze - uzyskanie sekwencji genomu w kilka godz. albo nawet min. powinno być standardem, i tańsze, jeżeli chodzi o wydatek jednorazowej analizy - 1000$ w tym przypadku wydaje się już ceną zbyt wygórowaną, powinno to być raczej 100- 200$. Istotną sprawą jest zbiór procedur przed uruchomieniem maszyny, a więc przygotowanie bibliotek fragmentów DNA i powielenie materiału do sekwencjonowania. Czułość istniejących urządzeń, pomimo wykorzystania kamer o najwyższej czułości, jest niewystarczająca, by odczytywać sekwencje bezpośrednio z pobranego materiału. Niestety, trzeba go przedtem powielić ( sposobem tak zwany emulsyjnego PCR), a tj. możliwe dopiero po powstaniu bibliotek. to jest robota żmudna i czasochłonna. Producenci urządzeń drugiej generacji nie przechwalają się ilością czasu konieczną do przygotowania bibliotek, a procedura ta może trwać do 2 dni. Trzecia generacja maszyn obiecuje „single molecule sequencing” - a więc odczyt pojedynczej nici DNA bez konieczności czasochłonnego powielania materiału.

Maszyna, o której mówi się już od 3 lat jako o maszynie trzeciej generacji, jeszcze nie osiągnęła zakładanych parametrów. Spółka Pacific Biosciences obiecuje sekwencjonowanie genomu człowieka w 15 min. przy koszcie kilkuset dolarów. to jest technologia sekwencjonowania pojedynczej cząsteczki DNA w okresie rzeczywistym.

Testy genetyczne

Testy genetyczne były najprostszą i najtańszą (bez uwzględnienia praw patentowych) ( sposobem wykrycia w najwyższym stopniu rozpowszechnionych mutacji. Niestety, testy genetyczne pozwalaja na wykrycie tylko scisle okreslonych mutacji opisanych wczesniej w poezji medycznej. W sporym skrócie - fragment genu, gdzie chcemy wykryć mutację, jest powielany dzięki sposoby PCR. Nastepnie dobierane sa enzymy restrykcyjne które przecinają powielony DNA tylko w określonym miejscu zdefiniowanym kolejnoscia nukleotydów. Jesli w analizowanym materiale kolejność nukleotydów zostanie zaburzona ( w konsekwencji mutacji) DNA nie zostanie przeciete , dając inny wzór prążków DNA po rozdziale w żelu agarozowym w polu elektrycznym. to jest odpowiedź typu zerojedynkowego: czy dana mutacja występuje w badanym materiale genetycznym, czy także nie. Częstość występowania danej mutacji jest w wielu sytuacjach charakterystyczna dla danej populacji. Sposób powielania DNA (użyte startery) czy tez przecinania (użyte enzymy restrykcyjne) podlegały opatentowaniu zamieniając tę prostą, nieprecyzyjną i niedrogą w wykonaniu metodę w bardzo kosztowną.

Test innolipa dla Genu CFTR wykrywa 36 najczestszych mutacji i kosztuje 500-800 Zł

Dla porownania stosujac sposoby sekwencjonowania w tej samej cenie mozna zbadac powyżej 500 opisanych mutacji a dodatkowo znalezc nowe takie ktore nie zostaly jeszcze opisane

Chipy DNA

w najwyższym stopniu zaawansowaną technologią wykrywania juz znanych i opisanych mutacji jest technologia mikromacierzy (z angielskiego: microarrays). Zasada jej działania w sporym skrócie opiera się na umiejętności do "rozpoznawania" poprzez cząsteczki DNA cząsteczek komplementarnych - A rozpoznaje T, a C rozpoznaje G i vice versa.

Interesujące nas fragmenty sekwencji genomowej (do kilku mln) są "przyklejone” do płytki nazywanej chipem. Chip DNA zalewany jest roztworem zawierającym badany DNA i w toku reakcji sygnał świadczący o rozpoznaniu albo braku rozpoznania identycznego fragmentu dla kilku mln fragmentów równocześnie jest przesyłany do komputera, gdzie dzieje się przyporządkowanie wykrytej niezgodności do bazy wariantów genetycznych. Obecnie dostępne mikromacierze pozwalają wykryć do 2 mln wariantów genetycznych ( tak zwany single nucleotide polymorhism, SNP), a w przygotowaniu są takie, które pozwolą na wykrycie do 5 mln SNP. Niestety sposób ta pozwala na wykrycie tylko uprzednio opisanych, uzyskanych przez sekwencjonowanie wariantów. Ostatnio zakończona część projektu sekwencjonowania 1000 genomów ludzkich powiększyła liczbę rozpoznanych wariantów do 30 mln, a i to nie jest najprawdopodobniej koniec. Zważywszy na fakt, iż najprawdopodobniej bardziej złożone dolegliwości dziedziczne są efektem kombinacji rzadkich i obecnie nabytych mutacji i cenę analizy opartej o mikromacierze, to jest raczej technologia, która własne idealne lata ma już za sobą.

Obecne urządzenia do sekwencjonowania genomowego nie są i jeszcze długo nie będą prostymi automatami typu „wrzuć próbkę i odczytaj rezultat”. Wymagają dużej wiedzy i praktyki z zakresu laboratorium biologii molekularnej. Jednak odczytanie genomu to dopiero start problemu. Wymiana terabajtów uzyskanej informacji w rezultat diagnostyczny wykorzystywany profilaktyce albo leczeniu to zupełnie inny historia. to jest problem, który może być rozwiązany jedynie w ścisłej współpracy bioinformatykow, diagnostow, biologów molekularnych i lekarzy genetyków.