Почему виртуальные клетки — это будущее биомедицины?
Развитие цифровых двойников клеток и тканей человека может изменить подход к разработке лекарств, диагностике и профилактике заболеваний. Сегодня их разработка ведётся в разных странах, в том числе в России, и это одно из самых перспективных направлений в области биомедицины. Расскажем, почему это важно и какие проекты приближают появление «цифрового пациента».
Персонализированная медицина
Традиционная медицина во многом опирается на данные о среднестатистическом пациенте, хотя в реальности люди очевидно отличаются друг от друга на уровне генетики, метаболизма и реакций на лекарства. Вот почему в медицине важен индивидуальный подход. Выстроить его можно с помощью цифрового двойника пациента — персонализированной модели организма, в которой учитываются особенности конкретного человека. Для того чтобы её создать, нужно собрать и объединить омиксные данные: информацию о генах, РНК, белках и метаболизме клетки. Анализ таких данных с помощью алгоритмов машинного обучения помогает построить модель, демонстрирующую молекулярные процессы, которые происходят в клетке, и то, как они меняются при заболевании.
Омиксные данные объединяют сведения об организме во время ключевых процессов реализации генетической информации
Изображение: © Валентина Межецкая / Медиадом «Сириус» / gen-fish.ca
Сегодня участники международных научных проектов создают базы данных, необходимые для таких моделей. Одна из крупнейших международных инициатив по созданию подробной карты всех типов клеток человеческого организма — Human Cell Atlas. Этот проект объединяет данные единичноклеточного анализа из лабораторий по всему миру и позволяет исследователям изучать молекулярные особенности разных тканей. Другой пример — швейцарский проект Blue Brain Project. Его цель — создать детальные компьютерные модели различных типов клеток мозга и реально существующих в центральной нервной системе нейронных сетей. Рост числа таких научных разработок демонстрирует, как программные модели постепенно переходят от цифровых аналогов отдельных клеток к симуляции сложных биологических систем.
Цифровые клетки
Виртуальные клетки — это компьютерные модели, которые описывают молекулярные процессы внутри клетки. Они помогают проводить своего рода виртуальные эксперименты, проверяя гипотезы о механизмах заболеваний и действии лекарств, не прибегая к лабораторным тестам. Следующий шаг развития этой идеи — цифровые двойники клеток, которые учитывают индивидуальные особенности организма. Такие модели могут предсказывать, как конкретная клетка или ткань отреагируют на лечение. Несмотря на быстрый прогресс в этой области, создание цифровых двойников клеток остаётся сложной научной задачей. Одно из главных ограничений связано с неполнотой данных.
«Использовать сразу все методы анализа — геномику, транскриптомику, протеомику — практически невозможно. Это требует большого количества биоматериала и значительных ресурсов. Поэтому часть данных приходится восстанавливать с помощью математических моделей», — объясняет руководитель научной группы Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Антон Буздин.
Кроме того, клетки даже одного типа могут сильно различаться между собой. Их поведение зависит от возраста организма, состояния тканей и окружающей среды. Такая вариабельность усложняет построение универсальных моделей. Ещё одна проблема — межклеточные взаимодействия. Клетки организма постоянно обмениваются сигналами, формируя сложные сети коммуникации. Смоделировать такие процессы значительно труднее, чем описать работу отдельной клетки. Поэтому современные исследования всё чаще направлены на создание моделей, которые учитывают не только внутриклеточные процессы, но и взаимодействие клеток в тканях и органах.
Развитие технологии цифровых клеток позволит врачам подбирать самый подходящий вариант терапии для конкретного человека
Фото: © fizkes / Shutterstock / FotoDom
Сегодня разработкой цифровых клеток занимаются в научных центрах разных стран. Так, в немецком исследовательском центре Helmholtz Munich развивается проект VirtualCell по созданию цифровых моделей клеток человека на основе больших биомедицинских данных. В России аналогичную работу проводят в Научно-технологическом университете «Сириус». Этим занимается коллектив под руководством Антона Буздина (проект реализуется в рамках государственной программы «Наука» федеральной территории «Сириус»).
«Мы рассчитываем создать коллекцию цифровых двойников для разных типов клеток человека. Они позволят моделировать происходящее на молекулярном уровне при воздействии лекарств. Это поможет оценивать эффективность терапии и прогнозировать возможные побочные эффекты для разных тканей», — говорит он.
По словам Буздина, создаваемая в Сириусе платформа не имеет прямых реализованных аналогов. Если технология окажется успешной, она может приблизить медицину к новому этапу развития — переходу от виртуальной клетки к полноценному цифровому пациенту, для которого лечение и профилактика будут рассчитываться индивидуально.
Ученые Сириуса разрабатывают виртуальную клетку
В Научно-технологическом университете «Сириус» создают виртуальную клетку — компьютерную модель, которая объединяет данные о работе генов, белков и метаболических процессов. Коллектив под руководством кандидата биологических наук Фёдора Колпакова не только разработал архитектуру такой модели и сделал первую её сборку, но и расширил базы данных, создал нейросетевые модели для прогнозирования экспрессии генов и модуль регуляции транскрипции с учётом перемещения РНК внутри клетки. Также собраны виртуальные модели мышечных клеток и пяти человеческих клеточных линий, включая раковые. В дальнейшем виртуальную клетку планируют расширить так, чтобы она могла моделировать последствия выключения отдельных генов и связывать регуляцию генов с метаболизмом и сигнальными процессами. Такая система должна стать инструментом для проведения экспериментов in silico — проверки биологических гипотез и оценки изменений в клетке без необходимости сразу проводить все эксперименты в лаборатории.
Что такое виртуальная клетка и как она помогает в разработке лекарств
ЧитатьОт лечения к профилактике
В ближайшие годы цифровым двойникам клеток могут найти применение — прежде всего, в онкологии и генетической диагностике. Такие модели помогут выявлять уязвимые молекулярные механизмы опухолевых клеток и подбирать таргетные препараты. Однако потенциал этой технологии выходит далеко за пределы лечения уже возникших заболеваний.
Изображение: © Валентина Межецкая / Медиадом «Сириус» / N. CARY/SCIENCE
Цифровые модели организма могут использоваться и в профилактической медицине. Например, для оценки индивидуальных рисков заболеваний, подбора оптимальных дозировок лекарств или формирования персональных программ наблюдения за здоровьем. Фактически речь идёт о создании виртуальной модели человека, объединяющей генетические данные, молекулярные процессы и клинические показатели.
Подобные технологии уже начинают применяться в клинических исследованиях. Например, цифровые модели сердца используются для анализа сердечно-сосудистых заболеваний и планирования операций, а виртуальные модели опухолей помогают тестировать разные схемы терапии ещё до начала лечения.
