Введение

Основной задачей персонализированной и прецизионной медицины (ППМ) (рис. 1, 2) в границах сердечно-сосудистой патологии является выявление признаков заболевания на доклинической стадии — стадии, временно скрытой от глаз врача-клинициста, но уже с имеющейся палитрой потенциальных объектов-мишеней для последующей коррекции. Другой аспект — определение рисков сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) задолго до появления первых симптомов [1, 2, 19, 20—23].

Рис. 1. Основы персонализированной и прецизионной медицины.

Рис. 2. Первый в России учебник по ППМ (по ред. Сучкова С.В.).

В связи с этим успех в борьбе с ССЗ напрямую зависит от стадии патологического процесса, а широкая палитра биомаркеров (рис. 3 см. на цв. вклейке) ввиду своей высокой специфичности практически со стопроцентной вероятностью способна диагностировать заболевание и/или предсказать риски его развития еще на доклиническом этапе. Между тем, с помощью маркерных молекул определяют, в частности, состояние процессов повреждения клетки, целого ряда функционально значимых биомолекул, а также наличие метаболитов или белков-предшественников, которые детектируются благодаря инновационным ОМИКС-технологиям, основанным на применении нанобиометок, квантовых точек и др. и формирующих по мере развития уникальные предиктивно-диагностические и прогностические ресурсы, включая один из последних — молекулярную визуализацию (molecular imaging) (рис. 4 см. на цв. вклейке) [1, 2, 4, 7, 8, 11, 13, 15, 20].

Рис. 3. Потенциальное портфолио биомаркеров в практике врача-кардиолога. Прогностические и диагностические биомаркеры могут быть включены в палитру индикаторов патологического процесса задолго до манифестации, а также указывать на риски ССЗ. К таким биомаркерам относятся, например, геномные и транскриптомные биомаркеры (микроРНК, метил- циркулирующая бесклеточная ДНК).

Рис. 4. Высокая диагностическая эффективность для пациентов с ожирением и поражением коронарных артерий с помощью молекулярной визуализации (верхняя часть — стресс, нижняя — покой). Последующая ангиография показала поражение правой коронарной артерии.

Молекулярная визуализация и некоторые другие высокотехнологичные приложения находят широкое применение в клинической кардиологии и сопряженных научных исследованиях. Молекулярная визуализация продолжает претерпевать быстрые изменения, вызванные технологическим и медицинским прогрессом. Они оказывают непосредственное влияние на диагностику, планирование и составление схемы персонализированного лечения, а также предоставляют инновационные инструменты для фундаментальных и трансляционных исследований [24—29].

Существует множество алгоритмов оценки сердечно-сосудистых рисков, например, шкала FRS (Фрамингемское исследование риска) и рекомендации NCEP/ATP III (Национальная образовательная программа по холестерину/руководство по лечению взрослых III). Однако их главный недостаток в том, что они существенно занижают предиктивно-прогностическую значимость риска и, соответственно, обедняют набор превентивно-профилактических мероприятий, ориентированных на управление рисками и последующую минимизацию их масштабов [3, 5].

В этом ключе высокотехнологичный и IT-обеспеченный алгоритм действий в рамках протоколов предиктивной и прогностической диагностики и мониторинга с использованием последних достижений системной биологии позволит наиболее точно и в кратчайшие сроки обосновать и сформулировать индивидуализированную оценку сердечно-сосудистого риска.

«ОМИКС» (OMICS)-технологии в оценке и прогнозировании сердечно-сосудистого риска

Высокопроизводительные технологии, позволяющие оценивать большие панели маркеров в масштабе всего генома (ОМИКС-технологии), открывают новые профили биомаркеров [4, 6, 11, 12, 15, 23, 30—33]. Новейшие технологии позволяют изучать гены посредством геномики, транскрипты генов благодаря транскриптомике, белки с помощью инструментария протеомики, метаболиты посредством метаболомики и, тем самым, открывать новые биомаркеры (рис. 5). Исследования сердечно-сосудистой системы все чаще становятся частью обширного цифрового мира, что стало возможным благодаря множеству данных, полученных с помощью различных «омических» технологий. Преимущество ОМИКС-технологий по сравнению с традиционными подходами заключается в их широком применении не только для циркулирующих белков, но и для любых других молекул, например, РНК, а также в их способности одновременно анализировать большое количество молекул.

Рис. 5. Ресурсы ОМИКС-технологий в кардиологической практике.

Протеомика, протеомные технологии и их роль в прогнозировании сердечно-сосудистых рисков

В последние годы было проведено множество исследований, которые доказали доминирующую роль протеомики в моделировании сердечно-сосудистого риска с большими достижениями в его прогнозировании [46—52]. В одном из крупномасштабных целевых исследований была протестирована способность панели протеомных биомаркеров, включавшей 368 белков, связанных с путями формирования и/или факторами риска, прогнозировать риск сердечно-сосудистых событий (рис. 6). Было отмечено, что белковая модель оказалась существенное более значимой и надежной, чем традиционная модель клинического риска в валидационной когорте.

Рис. 6. Превосходство модели на основе белка в прогнозировании сердечно-сосудистых событий.

Транскриптомный анализ и роль транскриптомных семейств РНК в диагностике ССЗ

Развитие геномики наряду с протеомикой позволяет не только проводить молекулярно-генетическую диагностику, но и, как следующий этап, определять интенсивность синтезов РНК и белков (т.е. РНКома и протеома, а в совокупности — транскриптома), имеющих отношение к возникновению и развитию ССЗ (рис. 7) [53—57].

Рис. 7. Процедура транскриптомного профилирования с целью идентификации биомаркеров, высокоспецифичных для сердечно-сосудистой патологии.

Благодаря развитию инструментов биоинформатики и методов РНК-секвенирования (RNA-Seq) циркулярные РНК признаны стабильными, многочисленными и новыми игроками в регуляции экспрессии генов (рис. 8).

Рис. 8. Циркулярные РНК как биомаркеры сердечно-сосудистой патологии и потенциальные фармакотерапевтические мишени для разработки и создания таргетных фармакопрепаратов.

Циркулярные РНК (circRNAs) — это новый класс ковалентно циркулирующих некодирующих РНК, которые широко экспрессируются в сердце человека и играют регуляторную роль при различных ССЗ. Циркулярные РНК могут стать перспективными мишенями для понимания и лечения ССЗ.

Циркулярные РНК являются эндогенными, широко распространенными и стабильными некодирующими РНК, образующимися в результате событий обратного сплайсинга и реализующие свой потенциал на уровне контроля и регуляции экспрессии генов, в том числе, в границах сердечно-сосудистой системы [8]. Многие циркулярные РНК экспрессируются согласно тканевой и стадии специфичности, и поэтому их дисрегуляция может отражать динамику заболевания (рис. 9).

Рис. 9. Значение микроРНК (miRNA), длинноцепочечных некодирующих (lncRNA) и циркулярных РНК (CircRNA) в конкретных сферах кардиологии и кардиохирургии.

MicroРНК (микроRNAs), lncRNAs (длинные ncRNAs) и circRNAs (циркулярные РНК), играющие важную регуляторную и структурную роль, составляют около 99% генома человека, не содержащего белков. Было обнаружено, что некодирующие РНК (нкРНК) являются важными новыми регуляторами факторов сердечно-сосудистого риска и клеточных процессов, что делает их перспективными для углубленной диагностики и оценки прогноза. Разработка новых методов диагностики и лечения на основе микроРНК, lncRNA и circRNA может оказаться более полезной в клиническом ведении пациентов с ССЗ [9, 10].

Благодаря своей кольцевой структуре большинство циркулярных РНК устойчивы к разрушению РНКазой, что делает их стабильными в крови и других биологических жидкостях, реализуя на практике эти молекулы как перспективные биомаркеры ССЗ (рис. 10).

Рис. 10. Циркулярные РНК как терапевтические агенты, мишени и/или биомаркеры при сердечно-сосудистых заболеваниях.

Растущее количество клинических исследований, посвященных микроРНК, кульминацией которых стало первое клиническое исследование анти-микроРНК в сердечно-сосудистой терапии, является определенным свидетельством прогресса, достигнутого за последнее десятилетие [34—39]. А существование множества микроРНК позволяет предположить, что спектр заболеваний и потенциальных применений микроРНК-терапии шире, чем кажется в настоящее время. При этом использование микроРНК играет многообещающую роль в диагностике и прогнозировании различных проявлений острого коронарного синдрома.

Открытие микроРНК и их роли в развитии заболеваний представляет собой значительный прорыв, который стимулировал и продвинул вперед исследования микроРНК как мишеней для диагностики и создания лекарственных средств нового поколения.

Мульти-ОМИКСы как перспектива всесторонней диагностики

Появление на стыке прикладной математики, IT-аннотирования и продвинутых алгоритмов глубокого машинного обучения (например, eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) и нейронных сетей) мульти-ОМИКС исследований позволило улучшить стратификацию рисков и прогнозирование событий путем моделирования более сложных и высоко-динамичных взаимодействий [40—45].

Мульти-ОМИКС исследования предлагают точные профилактические и терапевтические стратегии в отношении атеросклеротических ССЗ помимо традиционных факторов риска. Использование подходов искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) позволяет интегрировать многочисленные наборы ОМИКС-технологий и клинических данных в инструменты, которые могут быть использованы для разработки персонализированных диагностических и терапевтических подходов [11].

Коммерциализированные мультибелковые панели предоставляют огромное количество данных не только о биомаркерах, но и о метаболических процессах, протекающих в границах сердца в режимах физиологических, патологических и пограничных состояний, представляя предиктивно-диагностическую, прогностическую и мониторинговую ценность для лечащих врачей и дизайнеров-экспертов, специализирующих в кардиологической практике [12, 13].

Аневризмы аорты и ее ветвей и атеросклеротические формы патологии венечных артерий сердца сквозь призму персонализированной и прецизионной кардиологии

Сочетание протеомики и белковых технологий с алгоритмами МО и ИИ является весьма многообещающим, предоставляя возможность для обработки, майнинга, аннотирования и интерпретации колоссальных и разноплановых массивов данных, превосходя любые возможности традиционной медицинской статистики [14, 15].

Используя, например, ресурсную базу МО, учитывают нелинейные взаимосвязи и взаимодействия между белками в отличие от одномерных моделей, которые рассматривают только повышающие и/или понижающие уровни регуляции отдельных белковых молекул. Применение аналогичных методов МО для традиционных факторов риска отчетливо выявляет очевидное превосходство модели цифрового кардио-протеома над традиционной клинической моделью оценки сердечно-сосудистого риска [16].

Так, один из белков, заслуживающий особого внимания при развитии аневризм аорты — остеопротегерин (ОПГ) (гликопротеин, синтез которого осуществляется в гладкомышечных клетках (ГМК) и макрофагах и контролируется ангиотензином-2). Исследования показали достоверную зависимость между повышенным уровнем сывороточного ОПГ и частотой возникновения аневризм (вне зависимости от наличия или отсутствия традиционной клинической картины), что обусловлено ростом индексов апоптоза и снижением пролиферации ГМК в оболочке аорты, а также активацией матриксных металлопротеиназ (ММП), активно атакующих соответствующие объекты-мишени [66—74].

Другой пример — в стенке сосудов постоянно секретируются ферменты-протеазы, которые участвуют в деградации стареющих клеток, используя для этих целей, помимо собственных протеолитических свойств, еще и механизмы апоптоза. Такого рода протеазы регулируются целыми семействами модуляторов, содержание которых определяет совокупный протеолитический ресурс энзимо-комплекса в отношении сосудистой стенки [60—65].

Ведущую роль в развитии патологии стенки сосудов среди протеолитических инструментов отводят ММП, которые осуществляют в сосудистом эндотелии деградацию эластина и/или коллагена, ослабляя сосудистую стенку и провоцируя индукцию и прогрессирование патологического процесса. У таких пациентов уровень ММП и их каталитическая активность, как правило, существенно повышены, что по итогам математической обработки аккумулируемых данных переводит вышеуказанные ферменты-биомаркеры в категорию клинически значимых биопредикторов развития аневризм и других форм дегенеративной патологии сосудов [5, 17].

Имеются (пока единичные) данные и о соотношениях между уровнями цистатина С в сыворотке и прогрессированием картины аневризм и сердечно-сосудистой патологии на доклинических стадиях, еще раз подтверждая высокую значимость дисбаланса в составе тандема цистатин С/протеазы как фактора-индуктора ремоделирования сосудистой стенки [58—60]. Использование процедуры скрининга крови на цистатин С в предиктивно-прогностических целях в рамках протокола доклинической диагностики, а также последующие тесты на наличие цистатина С в составе тканевых биоптатов являются существенным дополнением при разработке современного алгоритма ранней диагностики аневризм аорты и патологии венечных артерий сердца. Одновременный скрининг вышеуказанных биоматериалов на цистатин С и его эндогенный ингибитор поможет определить вероятную причину заболевания, что будет способствовать разработке схемы превентивного лечения.

При этом необходимо учитывать тот факт, что люди, попадающие в группы риска, лишены, на первый взгляд, признаков каких-либо аномалий и не предъявляют никаких жалоб, воспринимая комментарии врача, как правило, с недопониманием. Адекватным и обязательным шагом в направлении верификации патологического процесса следует на этом этапе считать принятие совместного (врачом и пациентом) решения о проведении скрининг-анализов с последующим (при необходимости) уточнением и визуализацией участка, откуда и осуществляется гиперсекреция биомолекул-маркеров. В этой связи нами предлагается трехэтапный тест доклинического скрининга с учетом цены и масштабов инвазивности вмешательства.

Первым этапом является идентификация вышеуказанных биомаркеров, объединенных в т.н. серодиагностические пакеты в тестируемых образцах крови. Второй этап включает использование МРТ- или КТ- ангиографии или молекулярной ангиовизулизации для уточнения локализации участка расширения сосуда. И, наконец, на третьем этапе при необходимости производят биопсию расширенного участка (с предполагаемым наличием аневризмы или атеросклеротической бляшки) с морфологическим, иммуногенетическим и молекулярно-биологическим исследованием.

Исчерпывающие ответы, получаемые кардиологом и кардиохирургом по итогам диагностики, дают возможность назначить в ранние сроки адекватную схему лечения (в том числе, с использованием превентивно-профилактических мероприятий), способную продлить жизнь не только традиционным пациентам, но и лицам в группах риска, а также не допустить прогрессирования заболевания с переходом в клиническую стадию. Правильный подбор медикаментов на ранних (доклинических) стадиях даст возможность уже в ближайшем будущем освободить пациента или лиц в группах риска от оперативного вмешательства вообще [2, 18].

Заключение

Для совершенствования диагностических стратегий и стратификации риска требуется углубленное понимание механизмов сердечно-сосудистых заболеваний.

Стратегия ППМ имеет высокий потенциал революционизировать здравоохранение в области ССЗ благодаря применению ОМИКС-технологий в кардиологии, поскольку обладает огромным потенциалом при выявлении новых биомаркеров, а также раскрытии ключевых молекулярных механизмов и регуляторных сигнальных узлов в сетях заболеваний.

Таким образом, персонализированная и прецизионная кардиология гарантирует улучшение здоровья пациентов с ССЗ и менеджмента в вопросах помощи пациентам и людям из групп риска. Ее применение может оказать наилучшее влияние, если будет осуществляться на заболеваниях с наибольшим воздействием, к которым относятся инфаркт миокарда, гипертония и сердечная недостаточность.

В заключение следует упомянуть, что в течение ближайших нескольких лет может возникнуть ряд новых направлений персонализированной диагностики и предикции, которые будут стремительно развиваться в условиях специализированных клиник и центров персонализированной медицины, а также, в частности, персонализированной кардиологии.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.