Молекулярная диагностика представляет собой набор методов, используемых для анализа биологических маркеров в геноме и протеоме , и того, как их клетки экспрессируют свои гены в виде белков , применяя молекулярную биологию к медицинскому тестированию . В медицине этот метод используется для диагностики и мониторинга заболеваний, выявления риска и принятия решения о том, какие методы лечения будут наиболее эффективны для отдельных пациентов, [1] [2] : предисловие и в сельскохозяйственной биобезопасности аналогично для мониторинга заболеваний сельскохозяйственных культур и скота , оценки риска и принятия решения о том, какие карантинные меры необходимо предпринять. [3]
Анализируя особенности пациента и его заболевания, молекулярная диагностика открывает перспективы персонализированной медицины . [4] Эти тесты полезны в ряде медицинских специальностей , включая инфекционные заболевания , онкологию , типирование антигенов лейкоцитов человека (которое исследует и прогнозирует иммунную функцию ), коагуляцию и фармакогеномику — генетическое предсказание того, какие препараты будут работать лучше всего. [5] : v-vii Они пересекаются с клинической химией (медицинские тесты биологических жидкостей).
Область молекулярной биологии развивалась в конце двадцатого века, как и ее клиническое применение. В 1980 году Юэт Вай Кан и др . предложили пренатальный генетический тест на талассемию , который не основывался на секвенировании ДНК — тогда еще на начальной стадии — а на рестриктазах, которые разрезали ДНК там, где они распознавали определенные короткие последовательности, создавая различную длину нити ДНК в зависимости от того, какой аллель (генетическая вариация) имел плод. [6] В 1980-х годах эта фраза использовалась в названиях таких компаний, как Molecular Diagnostics Incorporated [7] и Bethseda Research Laboratories Molecular Diagnostics . [8] [9]
В 1990-х годах идентификация вновь открытых генов и новых методов секвенирования ДНК привела к появлению отдельной области молекулярной и геномной лабораторной медицины; в 1995 году была сформирована Ассоциация молекулярной патологии (AMP), чтобы придать ей структуру. В 1999 году AMP стала соучредителем Журнала медицинской диагностики . [10] Informa Healthcare запустила Expert Reviews in Medical Diagnostics в 2001 году. [1] С 2002 года проект HapMap собирал информацию об однобуквенных генетических различиях, которые повторяются в популяции людей — однонуклеотидных полиморфизмах — и их связи с заболеванием. [2] : гл. 37 В 2012 году молекулярные методы диагностики талассемии использовали генетические гибридизационные тесты для определения конкретного однонуклеотидного полиморфизма, вызывающего заболевание человека. [11]
Поскольку коммерческое применение молекулярной диагностики стало более важным, также усилились дебаты о патентовании генетических открытий, лежащих в ее основе . В 1998 году Директива Европейского Союза 98 /44/EC разъяснила , что патенты на последовательности ДНК допустимы. [12] В 2010 году в США AMP подала в суд на Myriad Genetics , чтобы оспорить патенты последней в отношении двух генов, BRCA1 , BRCA2 , которые связаны с раком груди. В 2013 году Верховный суд США частично согласился , постановив, что естественная последовательность гена не может быть запатентована. [13] [14]
Индустриализация инструментов для анализа молекулярной биологии сделала их использование в клиниках практичным. [2] : предисловие Миниатюризация до одного портативного устройства может перенести медицинскую диагностику в клинику, офис или дом. [2] : предисловие Клиническая лаборатория требует высоких стандартов надежности; диагностика может потребовать аккредитации или подпадать под действие правил, касающихся медицинских устройств. [15] По состоянию на 2011 год [обновлять]некоторые клинические лаборатории США тем не менее использовали анализы, продаваемые «только для исследовательских целей». [16]
Лабораторные процессы должны соответствовать правилам, таким как Поправки об улучшении клинических лабораторий , Закон о переносимости и подотчетности медицинского страхования , Надлежащая лабораторная практика и спецификации Управления по контролю за продуктами и лекарствами в Соединенных Штатах. Системы управления лабораторной информацией помогают отслеживать эти процессы. [17] Регулирование применяется как к персоналу, так и к расходным материалам. По состоянию на 2012 год [обновлять]в двенадцати штатах США требуется, чтобы молекулярные патологи имели лицензию; несколько советов, таких как Американский совет по медицинской генетике и Американский совет по патологии, сертифицируют технологов, руководителей и директоров лабораторий. [18]
Автоматизация и штрихкодирование образцов максимизируют пропускную способность и снижают вероятность ошибки или загрязнения во время ручной обработки и предоставления результатов. Теперь доступны отдельные устройства для проведения анализа от начала до конца. [15]
Молекулярная диагностика использует биологические анализы in vitro, такие как ПЦР- ИФА или флуоресцентная гибридизация in situ . [19] [20] Анализ обнаруживает молекулу, часто в низких концентрациях, которая является маркером заболевания или риска в образце, взятом у пациента. Сохранение образца перед анализом имеет решающее значение. Ручная обработка должна быть сведена к минимуму. [21] Хрупкая молекула РНК создает определенные проблемы. Как часть клеточного процесса экспрессии генов в виде белков, она предлагает меру экспрессии генов, но она уязвима для гидролиза и расщепления постоянно присутствующими ферментами РНКазой . Образцы можно быстро заморозить в жидком азоте или инкубировать в консервирующих агентах. [2] : ch 39
Поскольку методы молекулярной диагностики могут обнаруживать чувствительные маркеры, эти тесты менее интрузивны, чем традиционная биопсия . Например, поскольку в плазме человека существуют бесклеточные нуклеиновые кислоты , простого образца крови может быть достаточно для отбора генетической информации из опухолей, трансплантатов или нерожденного плода. [2] : ch 45 Многие, но не все, методы молекулярной диагностики, основанные на обнаружении нуклеиновых кислот, используют полимеразную цепную реакцию (ПЦР) для значительного увеличения количества молекул нуклеиновых кислот, тем самым амплифицируя целевую последовательность(и) в образце пациента. [2] : preeword ПЦР — это метод, при котором шаблонная ДНК амплифицируется с использованием синтетических праймеров, ДНК-полимеразы и dNTP. Смесь циклически переключается между как минимум двумя температурами: высокой температурой для денатурации двухцепочечной ДНК в одноцепочечные молекулы и низкой температурой для гибридизации праймера с шаблоном и для удлинения праймера полимеразой. Каждый температурный цикл теоретически удваивает количество целевой последовательности. Обнаружение вариаций последовательности с помощью ПЦР обычно включает разработку и использование олигонуклеотидных реагентов, которые амплифицируют интересующий вариант более эффективно, чем последовательность дикого типа. В настоящее время ПЦР является наиболее широко используемым методом обнаружения последовательностей ДНК. [22] Обнаружение маркера может использовать ПЦР в реальном времени, прямое секвенирование, [2] : чипы микроматриц ch 17 — готовые чипы, которые тестируют много маркеров одновременно, [2] : ch 24 или MALDI-TOF [23] Тот же принцип применим к протеому и геному . Высокопроизводительные белковые матрицы могут использовать комплементарную ДНК или антитела для связывания и, следовательно, могут обнаруживать много различных белков параллельно. [24] Молекулярные диагностические тесты сильно различаются по чувствительности, времени выполнения, стоимости, охвату и одобрению регулирующих органов. Они также различаются по уровню валидации, применяемой в лабораториях, использующих их. Следовательно, необходима надежная локальная проверка в соответствии с нормативными требованиями и использование соответствующих средств контроля, особенно в тех случаях, когда результат может быть использован для принятия решения о лечении пациента. [25]
Преимущества
Традиционные пренатальные тесты на хромосомные аномалии, такие как синдром Дауна, основаны на анализе количества и внешнего вида хромосом — кариотипа . Молекулярные диагностические тесты, такие как сравнительная геномная гибридизация с использованием микрочипов , вместо этого тестируют образец ДНК, и из-за наличия бесклеточной ДНК в плазме могут быть менее инвазивными, но по состоянию на 2013 год они все еще являются дополнением к традиционным тестам. [26]
Некоторые из полиморфизмов отдельных нуклеотидов пациента — небольшие различия в их ДНК — могут помочь предсказать, как быстро они будут метаболизировать определенные препараты; это называется фармакогеномикой . [27] Например, фермент CYP2C19 метаболизирует несколько препаратов, таких как антикоагулянт Клопидогрель , в их активные формы. Некоторые пациенты обладают полиморфизмами в определенных местах гена 2C19, которые делают их плохими метаболизаторами этих препаратов; врачи могут проверить эти полиморфизмы и выяснить, будут ли препараты полностью эффективны для этого пациента. [28] Достижения в области молекулярной биологии помогли показать, что некоторые синдромы, которые ранее классифицировались как одно заболевание, на самом деле являются несколькими подтипами с совершенно разными причинами и методами лечения. Молекулярная диагностика может помочь диагностировать подтип — например, инфекции и рак — или генетический анализ заболевания с наследственным компонентом, такого как синдром Сильвера-Рассела . [1] [29]
Молекулярная диагностика используется для выявления инфекционных заболеваний, таких как хламидиоз , [30] вирус гриппа [31] и туберкулез ; [32] или специфических штаммов, таких как вирус H1N1 [33] или SARS-CoV-2 . [34] Генетическая идентификация может быть быстрой; например, тест изотермической амплификации с петлевой амплификации диагностирует малярийного паразита и достаточно надежен для развивающихся стран. [35] Но, несмотря на эти достижения в анализе генома, в 2013 году инфекции по-прежнему чаще идентифицировались другими способами — их протеомом, бактериофагом или хроматографическим профилем. [36] Молекулярная диагностика также используется для понимания конкретного штамма патогена — например, путем определения того, какими генами устойчивости к лекарственным препаратам он обладает — и, следовательно, каких методов лечения следует избегать. [37] [36] Кроме того, анализы, основанные на метагеномном секвенировании следующего поколения, могут быть реализованы для выявления патогенных организмов без предвзятости. [38]
Геном пациента может включать наследственную или случайную мутацию, которая влияет на вероятность развития заболевания в будущем. [27] Например, синдром Линча — это генетическое заболевание , которое предрасполагает пациентов к колоректальному и другим видам рака; раннее выявление может привести к тщательному наблюдению, что повышает шансы пациента на хороший исход. [39] Сердечно-сосудистый риск указывается биологическими маркерами, а скрининг может измерить риск того, что ребенок родится с генетическим заболеванием, таким как муковисцидоз . [40] Генетическое тестирование является сложным с этической точки зрения: пациенты могут не захотеть стресса от знания своего риска. [41] В странах без всеобщего здравоохранения известный риск может привести к увеличению страховых взносов. [42]
Рак — это изменение клеточных процессов, которое приводит к тому, что опухоль выходит из-под контроля. [27] Раковые клетки иногда имеют мутации в онкогенах , таких как KRAS и CTNNB1 (β-катенин). [43] Анализ молекулярной сигнатуры раковых клеток — ДНК и ее уровней экспрессии через информационную РНК — позволяет врачам характеризовать рак и выбирать наилучшую терапию для своих пациентов. [27] По состоянию на 2010 год анализы, включающие массив антител против специфических молекул-маркеров белка, являются новой технологией; есть надежды на эти мультиплексные анализы, которые могли бы измерять множество маркеров одновременно. [44] Другие потенциальные будущие биомаркеры включают молекулы микроРНК , которые раковые клетки экспрессируют больше, чем здоровые. [45]
Рак — это болезнь с чрезмерными молекулярными причинами и постоянной эволюцией. Существует также гетерогенность заболевания даже у одного человека. Молекулярные исследования рака доказали значимость драйверных мутаций в росте и метастазировании опухолей. [46] Для исследований рака было разработано множество технологий для обнаружения вариаций последовательностей. Эти технологии в целом можно сгруппировать в три подхода: полимеразная цепная реакция (ПЦР), гибридизация и секвенирование следующего поколения (NGS). [22] В настоящее время многие анализы ПЦР и гибридизации были одобрены FDA в качестве диагностики in vitro. [47] Однако анализы NGS все еще находятся на ранней стадии клинической диагностики. [48]
Для проведения молекулярного диагностического теста на рак одним из важных вопросов является обнаружение вариаций последовательности ДНК. Образцы биопсии опухоли, используемые для диагностики, всегда содержат всего 5% целевого варианта по сравнению с последовательностью дикого типа. Кроме того, для неинвазивных приложений из периферической крови или мочи тест ДНК должен быть достаточно специфичным, чтобы обнаруживать мутации при частотах аллелей вариантов менее 0,1%. [22]
В настоящее время, оптимизируя традиционную ПЦР, появилось новое изобретение — система мутаций, рефрактерных к амплификации (ARMS), — это метод обнаружения вариантов последовательности ДНК при раке. Принцип, лежащий в основе ARMS, заключается в том, что ферментативная активность ДНК-полимераз очень чувствительна к несовпадениям вблизи 3'-конца праймера. [22] Многие компании разработали диагностические тесты на основе праймеров ARMS PCR. Например, Qiagen therascreen, [49] Roche cobas [50] и Biomerieux THxID [51] разработали одобренные FDA тесты ПЦР для обнаружения мутаций рака легких, толстой кишки и метастатической меланомы в генах KRAS, EGFR и BRAF. Их наборы IVD были в основном проверены на геномной ДНК, выделенной из ткани FFPE.
Существуют также микрочипы, которые используют механизм гибридизации для диагностики рака. Более миллиона различных зондов могут быть синтезированы на матрице с технологией Genechip компании Affymetrix с пределом обнаружения от одной до десяти копий мРНК на лунку. [22] Обычно считается, что оптимизированные микрочипы производят повторяемую относительную количественную оценку различных целей. [52] В настоящее время FDA уже одобрило ряд диагностических анализов, использующих микрочипы: анализы MammaPrint компании Agendia могут информировать о риске рецидива рака молочной железы, профилируя экспрессию 70 генов, связанных с раком молочной железы; [53] анализ Autogenomics INFNITI CYP2C19 может профилировать генетические полиморфизмы, влияние которых на терапевтический ответ на антидепрессанты велико; [54] а CytoScan Dx компании Affymetrix может оценивать интеллектуальные нарушения и врожденные нарушения, анализируя хромосомные мутации. [55]
В будущем диагностические инструменты для рака, скорее всего, будут сосредоточены на секвенировании следующего поколения (NGS). Используя секвенирование ДНК и РНК для диагностики рака, технология в области инструментов молекулярной диагностики будет развиваться лучше. Хотя пропускная способность и стоимость NGS резко сократились за последние 10 лет примерно в 100 раз, мы остаемся по крайней мере на 6 порядков дальше от выполнения глубокого секвенирования на уровне целого генома. [22] В настоящее время Ion Torrent разработала несколько панелей NGS на основе трансляционного AmpliSeq, например, комплексный анализ Oncomine. [56] Они сосредоточены на использовании глубокого секвенирования генов, связанных с раком, для обнаружения редких вариантов последовательностей.
Инструмент молекулярной диагностики может использоваться для оценки риска рака. Например, тест BRCA1/2 от Myriad Genetics оценивает женщин на пожизненный риск рака молочной железы. [22] Кроме того, некоторые виды рака не всегда проявляются при четких симптомах. Полезно анализировать людей, когда у них нет явных симптомов, и, таким образом, можно обнаружить рак на ранних стадиях. Например, тест ColoGuard может использоваться для скрининга людей старше 55 лет на колоректальный рак . [57] Рак — это долгосрочное заболевание с различными стадиями прогрессирования, инструменты молекулярной диагностики могут использоваться для прогнозирования прогрессирования рака. Например, тест OncoType Dx от Genomic Health может оценить риск рака молочной железы. Их технология может информировать пациентов о необходимости химиотерапии, исследуя уровни экспрессии РНК в биопсийной ткани рака молочной железы. [58]
С ростом государственной поддержки молекулярной диагностики ДНК ожидается, что вскоре станет доступно все больше клинических анализов ДНК для выявления рака. В настоящее время исследования в области диагностики рака развиваются быстро с целями снижения затрат, сокращения времени и упрощения методов для врачей и пациентов.
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )