Научная проблема, на решение которой направлен проект.
Проведение отдельных геномных, транскриптомных, протеомных, метаболомных и инструментальных исследований не позволяет полную картину процессов, происходящих в организме в норме и при патологии. Это связано с наличием множества прямых и обратных регуляторных связей на всех уровнях функционирования организма. Мультиомиксный подход позволяет увидеть полную картину и понять взаимосвязи между различными молекулярными уровнями. Вместе с более ясной общей картиной мультиомиксный подход так же предлагает невозможную ранее детализацию: анализ омиксных данных отдельного пациента, что открывает путь к персонализированному лечению и диагностике, что особенно важно для развития трансляционной медицины.
Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы.
После возникновения термина "геномика" был выделен целый ряд других терминов, обозначающих прочие области молекулярной биологии, посвященные изучению различных групп биомолекул (РНК, белков, малых молекул). Они позволяют получить массивы данных, ассоциированных с комплексным исследованием взаимодействия различных молекул в живом организме. На текущий момент выделены такие области как транскриптомика, протеомика, метаболомика, эпигеномика, липидомика, метагеномика, коннектомика и целломика (Sporns O. с соавт., 2005, Primiceri E. с соавт., 2013). Комплексные данные, полученные в двух и более обозначенных областях, называются мультиомиксными.
Мультиомиксный подход — это стратегия исследования живых организмов, которая включает в себя анализ различных омиксных данных, таких как геномика, транскриптомика, протеомика, метаболомика. Главная причина популярности мультиомиксного подхода в настоящий момент – это сам факт возможности его осуществления. Огромные вычислительные мощности и сложные алгоритмы позволяют решать задачи по обработке данных, еще недавно казавшиеся слишком трудоемкими. Как известно, живые организмы представляют собой сложные сети взаимодействующих молекул (при рассмотрении понятия живого на некоторых уровнях организации материи), что приводит к тому, что изучение только одного типа данных может предоставить лишь малую часть общей картины, из которой складывается вся сложность структурной организации живого. Мультиомиксный подход позволяет увидеть полную картину и понять взаимосвязи между различными молекулярными уровнями. Интеграция данных из различных омиксных исследований может выявить новые биологические процессы, которые невозможно было бы обнаружить при анализе только одного типа данных (например, только геномных).
В работе с данными в мультиомиксных исследованиях выделяют два основных подхода: многоступенчатый и многомерный (Ritchie M. D. с соавт., 2015). Многоступенчатые методы предполагают интеграцию различных данных поэтапным или иерархическим образом, где данные каждого направления анализируются независимо, а затем результаты интегрируются. Этот подход позволяет выявлять причинно-следственные связи между различными уровнями (например, геномным и метаболомным) и выявлять существенные молекулярные особенности. В то время как многомерный подход предполагает одновременный анализ двух или более массивов данных, используя передовые статистические стратегии или методы машинного обучения (Sathyanarayanan A. с соавт., 2023). Прогресс в анализе больших данных и развитие современных алгоритмов привели к широкому применению мультиомиксных исследований в различных областях биомедицинских исследований, включая рак, хронические заболевания почек, инфекционные заболевания и болезни сердца (Li Y. с соавт., 2023).
Вместе с более ясной общей картиной мультиомиксный подход так же предлагает невозможную ранее детализацию: анализ омиксных данных отдельного пациента, что открывает путь к персонализированному лечению и диагностике, что особенно важно для развития трансляционной медицины.
Трансляционная медицина — это научное направление, направленное на ускоренное внедрение результатов фундаментальных исследований в клиническую практику за счет тесного взаимодействия. Концепция трансляционных исследований впервые была озвучена еще в 1992 году в рамках проблематики разработки подходов ранней диагностики и эффективной терапии онкологических заболеваний. Эта концепция быстро вышла за пределы онкологии, поскольку абсолютно все области современной медицины испытывают потребность в современных методах. При этом в классическом варианте клинических исследований от научного открытия до его практической реализации и получения всех разрешений проходят годы. Трансляционная медицина позволяет значительно сократить эти сроки и обеспечить пациентам медицинскую помощь, основанную на самых современных представлениях о патогенезе их заболеваний.
Получение комплексных данных из различных источников позволяет создавать более точные модели для диагностики болезней и прогнозирования их развития: интеграция геномных, протеомных, метаболомных и других данных позволяет более точно определять биомаркеры болезней, например, уникальные изменения протеоме или метаболоме могут служить индикаторами различных патологий, от рака до сердечно-сосудистых заболеваний. Мультиомиксный подход помогает понять молекулярные механизмы развития болезней, что может привести к открытию новых целей для лечения и разработке более эффективной терапии исследуемой патологии.
Программа фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021 - 2030 годы), утвержденная Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2021 г. N 1274, определяет Перечень приоритетных направлений фундаментальных и поисковых научных исследований на 2021 - 2030 годы. Согласно Программе, в список важнейших направлений входят «создание систем искусственного интеллекта, извлечения и анализа текстов, развития методов и информационных технологий системного анализа и управления в условиях неопределенности и риска, разработки методов поиска областей с хаотической динамикой, методов анализа, стабилизации и управления для семейств систем, описываемых как непрерывными, так и дискретными уравнениями». Например, «перспективным направлением является создание и развитие новой аналитико-компьютерной технологии исследования, анализа и управления хаотической динамикой решений сложных нелинейных систем дифференциальных уравнений, описывающих многочисленные естественно-научные и социально-экономические процессы и явления». В том числе, «актуальными … будут разработка методов ранней диагностики и персонализированного лечения … на основании изучения клеточно-молекулярных, генетических, нейрогуморальных, иммунных и гемодинамических механизмов их развития, геномных, протеомных и метаболомных исследований в клинике и эксперименте». Таким образом, мультиомиксный подход является одним из приоритетных направлений исследований в медицине.
Получение мультиомиксных данных невозможно без создания биоколлекций. Биобанк является ключевым звеном трансляционных исследований. Благодаря биобанкам можно получать биоматериал высокого качества, что в итоге снижает временные и материальные затраты на проведение исследований. Ключевая значимость создания депозитария биологических образцов на базе крупного медицинского учреждения заключается в сокращении сроков внедрения результатов научно-исследовательских разработок в клиническую практику.
Помимо федерального уровня, создание биобанков и формирование персонализированного подхода поддерживается и на региональном уровне. Постановление Правительства Санкт-Петербурга от 02.07.2020 N 482 «О проекте закона Санкт-Петербурга «О внесении изменений в Закон Санкт-Петербурга «О Стратегии социально-экономического развития Санкт-Петербурга на период до 2035 года» указано, что в рамках задачи «Развитие персонализированной медицины» необходимо обеспечить внедрение новых методов регенеративной медицины, в том числе с применением биомедицинских клеточных продуктов, методов персонализированной фармакотерапии, включая технологии генетического редактирования и таргетную терапию, киберпротезов и человеко-машинных интерфейсов, создание сети биобанков, депозитариев биологических материалов человека и коллекций патогенных микроорганизмов.
Системная биология — это развивающаяся концепция, которая использует сетевой вычислительный анализ для повышения точности механистического понимания патогенеза заболеваний, а также разработки новых методов диагностики и терапии (Oulas A. с соавт., 2019). Интеграция мультиомиксного анализа, системной биоинформатики и экспериментальной проверки расширяет наше представление о механизмах заболеваний и открывает возможности для применения трансляционной биомедицины в ранней диагностике и точном фенотипировании заболеваний, а также в персонализированной медицине (Suh K. S. с соавт., 2013).
Основная концепция развития научной деятельности в медицине, утвержденная приказом Минздрава России от 24.04.2018 № 186 – это концепция предиктивной, превентивной и персонализированной медицины. Модель амбулаторного выявления нарушений ритма и проводимости сердца у пациентов с различными нозологическими формами предполагает использование телемедицинских технологий регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) и индивидуальных портативных регистраторов, что соответствует современным тенденциям развития здравоохранения и отвечает потребностям своеврем