Role genomiky a bioinformatiky v moderní medicíně

29. 01. 2024

Pokud bychom měli určit dva obory, které posouvají medicínu nejrychleji dopředu, budeme mluvit o genomice a informatice či spojení obojího. Jak pomáhají postupy z informatiky molekulární diagnostice? V oboru genomika se budeme držet vymezení lidského genomu, v matematice pak přístupů výpočetních technik, které používá bioinformatika.

Gen, základní informační jednotka zajišťující existenci živé hmoty

Genetické informace v lidských buňkách jsou obsaženy v jádře a mitochondriích v podobě DNA molekul. Geny jsou úseky DNA, které kódují bílkoviny a jsou základními dědičnými jednotkami. Lidský jaderný genom obsahuje kolem 19-20 tisíc proteinotvorných genů, což tvoří méně než 2 % celého genomu. Další části DNA tvoří regulační oblasti a zbytky genů. Gen můžeme definovat jako základní informační jednotku zajišťující existenci živé hmoty.

Dědičnost: Od Bachových po genetiku a terapii

Vnímání dědičnosti lidských vlastností a fenotypu existovalo dávno ještě před pojmem genu. Často se týkalo složitých vlastností obtížných k analýze. Příkladem je rodina Bachů, kde muzikální talent přetrvával několik generací. Existovaly i jednodušší monogenní dědičnosti, obvykle vzácných chorob, které byly způsobeny změnami jednoho genu. Situace byla složitější, pokud bylo zapojeno více genů, například u hluchoty.

Biochemie a medicína přinesly pokrok v analýzách genů a jejich diagnostice. Geny mohou být různě dlouhé, mít různou strukturu a různé alely, které mohou mít odlišnou funkci a vztahy s jinými geny. Studie molekul RNA spojených s geny má význam pro léčbu vzácných genetických onemocnění.

Vývoj molekulární genetiky a s ní spojenou diagnostiku můžeme historicky rozdělit do tří fází:

Štěpení a hybridizace

Tyto techniky byly používány od 60. let 20. století, kdy jsme již znali nukleové kyseliny, jejich strukturu a uměli jsme rozštěpit DNA pomocí různých bakteriálních enzymů.

Enzymy byly různé a štěpily DNA různým způsobem. Vzniklé úseky DNA jsme identifikovali podle velikosti (elektroforézou v gelovém prostředí) a hybridizací s sondami, jako například radioaktivně nebo fluorescenčně značenými oligonukleotidy DNA. Tyto techniky umožnily diagnostiku genetických vlastností a poruch na úrovni DNA.

Polymerázová řetězová reakce – PCR

Další úspěšná fáze v analýze DNA byla založena na bakteriálních enzymech, tzv. DNA polymerázách. Metoda PCR byla objevena v 80. letech 20. století.

Nejprve se dvouřetězcová DNA rozdělí na jednořetězcové části, obvykle zahřátím k zrušení vodíkových vazeb mezi nimi. Poté DNA polymeráza vytvoří nový komplementární řetězec pro každý z těchto částí. Tím se vybrané úseky DNA zdvojnásobí.

Pro tuto metodu byla využita polymeráza z teplomilné bakterie Thermus aquaticus, která si udržuje aktivitu i při opakovaných denaturacích teplem. Tato technika umožnila získávat množství DNA pro analýzy z menšího výchozího materiálu, což bylo významné pro medicínské aplikace, protože stačilo odebrat méně krve. PCR dominovala diagnostice založené na analýze genomu.

Sekvenace nukleových kyselin

Sekvenace lidského genomu je klíčovou součástí moderní lékařské diagnostiky. Původní projekt sekvenace vycházel ze směsi DNA několika osob. Postupně bylo sekvenováno mnoho individuálních genomů, což přineslo překvapivé poznatky.

Původní sekvenace využívala gelovou elektroforézu a Sangerovo sekvenování. Nyní je nahrazeno sekvenováním nové generace (NGS), což umožňuje vyšetřovat více oblastí DNA najednou. NGS je automatizované a výsledky analyzuje software.

Sekvenace DNA se provádí v laboratořích výzkumných institucí i soukromých společnostech a má různé aplikace včetně diagnostiky onkologie, poruch plodnosti a identifikace osob. Rozhoduje se podle cíle, například potvrzení diagnózy nebo hledání nových příčin odchylek od normálu.

Mutace genů

Genom má svoji proměnlivost způsobenou nahodilými změnami nazývanými mutace. Ty mohou být malé, jako změny v jednotlivých nukleotidech, nebo velké, zahrnující změny počtu chromozomů nebo zdvojnásobení celých sad chromozomů v buňce. Některé mutace jsou patogenní a mohou se stávat závažnějšími s každou generací. Nahodilost spočívá v tom, že příčiny a místo těchto změn v genomu často nejsou známé. Opravné mechanismy buňky mohou vrátit genom zpět do původního stavu.

Mutace mohou být škodlivé (patogenní) nebo neškodné (neutrální). Některé mutace však mohou být prospěšné. Různé tkáně jsou různě náchylné k mutacím, v závislosti na jejich obnově a dělení buněk. Mutace obvykle neprobíhají v tkáních, kde buňky se nedělí. Mohou být způsobeny vnějšími vlivy, například radioaktivním zářením, nebo mohou vznikat, pokud opravné mechanismy selžou, například v mitochondriích.

*Biopsie jedné buňky (blastomery) z třídenního embrya. Zdroj: https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2023/cislo-12/dva-obory-ktere-posouvaji-medicinu-nejrychleji-kupredu.html*

Rekombinace během zrání gamet u pohlavně se rozmnožujících organismů jsou speciální kategorií změn. Tyto změny jsou kontrolované, ale i částečně nahodilé. Během rekombinace se výměnou mění části chromozomů. Tato výměna probíhá na určitých místech nazývaných překřížení a zahrnuje histony. Výměněná část nemusí být vždy stejně velká, a některé geny se vyměňují častěji než jiné.

Geny a jejich šíření

Variabilita genomu je udržována mezi skupinami jedinců v populaci, protože rozmnožování může probíhat i mezi různými populacemi s odlišnými genofondy. Naopak, rozmnožování uvnitř malých skupin vede k redukci variability, což má negativní důsledky spojené s inbreedingu (vnitřním křížením). Již na počátku existence Homo sapiens sapiens došlo pravděpodobně k mísení více jedinců.

Zajímavým faktem je, že geny se mohou přenášet nejen uvnitř druhu, ale i mezi různými druhy, pokud existují mezidruhoví kříženci. Dnešní lidé mají v genomu i části genomu neandertálců. V přírodě se geny mohou šířit i na velké vzdálenosti. Například určité geny spojené s naším zrakem mají původ v genomu bakterií, což je zajímavý nový výzkum.

CNV graf — Ukázka grafu CNV (Copy Number Variation) grafu znázorňujícího počty jednotlivých chromozomů v buňkách trofektodermu odebraných z embrya pátý den po oplození. Použitý software pro analýzu dat: BlueFuse Multi (Illumina). Test odhalil trizomii chromozomu 21, což je nález asociovaný s Downovým syndromem. Toto embryo nebylo doporučeno k přenosu do dělohy. Zdroj: https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2023/cislo-12/dva-obory-ktere-posouvaji-medicinu-nejrychleji-kupredu.html

Genová terapie jako prevence

Choroby mají často genetický původ, který může být skrytý. Diagnostické vyšetření obvykle analyzuje genom somatických buněk. Dříve to byly bílé krvinky z žilních odběrů, ale dnes stačí buňky z ústního stěru díky citlivým molekulárním genetickým metodám. V oblasti klinické genetiky se také otevírají možnosti genové terapie. S jejím rozvojem získává genetická diagnostika velký význam, a to zvláště, pokud se použije co nejdříve v životě jedince. Asistovaná reprodukce umožňuje dokonce vyšetření embryí před implantací a vybrání těch se „zdravými" geny.

Častou příčinou neplodnosti, zejména u starších žen je aneuploidie (abnormální počet chromozomů) v embryích. S věkem matek totiž roste riziko abnormalit vajíček a vzniku aneuploidních embryí. Páry proto stále častěji volí asistovanou reprodukci. Diagnostikou chromozomů u embryí před jejich přenosem do dělohy se zvyšuje pravděpodobnost úspěšného otěhotnění, protože se vybírají pouze embrya s normálním počtem chromozomů.

Proces zahrnuje odběr buněk z vyvíjejících se embryí, jejich zmrazení a molekulárně-genetické vyšetření. Toto vyšetření je běžné u párů s neúspěšnými pokusy o přenos embrya, u starších párů a těch, u nichž je podezření na chromozomální abnormality. Kromě toho se provádí i preimplantační testování embryí na genetické mutace spojené s rodinnými chorobami.

Tato oblast medicíny má také potenciál v genové terapii, jako je přenos zdravých mitochondrií od dárců tam, kde vlastní mitochondrie selhávají. Společnost lékařské genetiky a genomiky ČLS JEP vytvořila doporučení pro instituce, které nabízejí tyto služby, a zdůrazňuje důležitost akreditace laboratoří provádějících tato vyšetření.

Onkogenetika

Diagnostický postup sleduje také aktivitu genů a rychlost dělení nádorové tkáně. Pro pacienty léčené chemoterapií nebo jinými prostředky, které snižují vitalitu nádorových buněk, se snaží předpovědět pravděpodobnost návratu nádoru po určité době pomocí Recurrence Score. Tento test se provádí pomocí sekvenace RNA, konkrétně celogenomové sekvenace (WES).

Dědičnost hraje roli i při některých onemocněních, ale identifikace odpovídajících genů může být komplikovaná, zejména u znaků ovlivněných více geny, jako jsou metabolické procesy. Pátrání po odpovědných genech je složité, a to i v případě duševních poruch. Hierarchie genetických vztahů může být velmi složitá, a tak je obtížné určit významnost jednotlivých genů.

Fenotyp je formován nejen mutacemi, ale také jinými faktory, které nepřímo ovlivňují genomovou sekvenci. Genetické funkce mohou být regulovány epigeneticky, například metylací dusíkatých bází, což může být stabilní stav, ale buňka má schopnost demetylace a může střídat oba stavy DNA, což se děje během gametogeneze a embryogeneze.

Onkogenetika se zaměřuje na genotyp nádorových buněk a snaží se identifikovat rozdíly oproti zdravým buňkám pacienta, což umožňuje cílenou terapii. Analýzy genomu jsou běžnou součástí diagnostických postupů v boji s nádory. Některé nádory jsou spojeny s genetickou predispozicí pacienta, což zvyšuje riziko vzniku nádoru. Diagnóza a léčba nádorů, zejména u žen s nádorem prsu, často zahrnuje znalost genotypu.

Vzájemné vztahy mezi různými oblastmi genomu a jejich dopady na fenotyp jsou zkoumány pomocí asociačních studií. V minulosti byla používána ruční kombinatorika s děrnými štítky, ale dnes jsou tyto studie prováděny na velkém měřítku s využitím moderních počítačů, což přináší přesnější výsledky. Tyto rozsáhlé asociační studie jsou známé jako GWAS (Genome Wide Association Studies) a jejich spolehlivost roste s počtem analyzovaných případů.

Bioinformatika může pomoci při problémech ve zdravotnictví

Genomika v medicíně využívá výpočetní techniky jako klíčový nástroj molekulární genetiky. Tyto tendence nejsou nové, a není to tedy jen populační genetika, která se s matematikou již sžila (viz např. rozsáhlé dílo L. L. Cavalli-Sforzy a W. F. Bodmera). Nyní je matematika spojená s genomikou. Migrace lidí je důležitým faktorem udržujícím přirozenou variabilitu v populaci. Genetika v medicíně se však zabývá také mutacemi, které mohou vést k nemocem.

V oblasti genetické diagnostiky se začaly vyvíjet programy, které dokáží interpretovat laboratorní analýzy a formulovat diagnostické závěry. I když lékaři byli na začátku zdrženliví, nyní moderní algoritmy poskytují spolehlivé výsledky, které lze využít v klinické praxi.

Genomické analýzy a AI se staly důležitými nástroji v onkologii a dalších oborech, což umožňuje lékařům přesně cílit terapii. Tyto technologie také nacházejí uplatnění v obrazové analýze, dermatologii, oftalmologii, radiologii a dalších oblastech medicíny. I když se AI používá stále více, je důležité stanovit etická pravidla pro její používání. AI může významně přispět k rozvoji nových oborů medicíny, včetně telemedicíny, a pomoci vyřešit problémy spojené s přetížením zdravotnické péče.

Schéma neuronové sítě — Síť je tvořena „uzly“, „vrstvami“ a „spojnicemi“. Na straně vstupu se vkládají data, která chceme analyzovat; ta procházejí uzly ve skrytých vrstvách, v nichž je jim přidána určitá „hodnota“, podle níž jsou přenesena do další vrstvy (kterých je obvykle větší počet) až k závěrečnému vyhodnocení na výstupu. Příprava funkční neuronové sítě může být spojena s „učitelem“, který na základě již známých skutečností posoudí správnost závěru. Chybný závěr znamená opakování procesu. Zdroj: https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2023/cislo-12/dva-obory-ktere-posouvaji-medicinu-nejrychleji-kupredu.html

Firma Roche představila značku Navify, která se zabývá zpracováním vědeckých a klinických údajů pro zlepšení zdravotní péče. Navify vychází z třicetiletých zkušeností s tvorbou programů pro interpretaci laboratorních nálezů a vytváří otevřený digitální ekosystém pro rychlou inovaci a podporu zdravotnických společností. Jedním z produktů je Navify Mutation Profiler, který využívá analýzy sekvenace nové generace (NGS) a může pomoci s klinickými rozhodnutími a optimalizací léčebných postupů.

Další společnosti jako Smart4Diagnostics, Imito, Decide Clinical Software také vyvíjejí systémy založené na umělé inteligenci pro podporu klinických rozhodnutí. Tyto systémy budou podrobeny ověřování a kritice kliniků.

Společnost IBM Watson Health (nyní Merative™) nabízí systém, kde klinici mohou poslat své otázky a dostanou vysvětlující a důvěryhodné odpovědi. Bertalan Meskó, zakladatel instituce The Medical Futurist (TMF) se také věnuje problematice digitalizace medicíny a vydal e-knihu o uplatnění generativní umělé inteligence v medicíně.

Tento text je zkrácenou verzí článku, jehož autory jsou Prof. MUDr. Radim Brdička, DrSc. a RNDr. Marcela Kosařová, Ph.D. Originální verzi článku (včetně využitých zdrojů) si můžete přečíst v časopisu Vesmír.

Role genomiky a bioinformatiky v moderní medicíně

Gen, základní informační jednotka zajišťující existenci živé hmoty

Dědičnost: Od Bachových po genetiku a terapii