Архитектура организма

Представьте организм как сложный строительный объект, например огромный жилой комплекс. Это упрощенная аналогия, но на ее примере мы поговорим о реальных научных фактах.

Если в доме что-то ломается, на помощь вызывают аварийно-ремонтную бригаду. Она разбирается, что случилось и почему, и экстренно устраняет дефект. Так работает традиционный подход в медицине: диагностику и терапию проводят при появлении клинического симптома.

Мета-омики, или мультиомики, — это целая инженерно-строительная фирма. На основе данных о ДНК, активности генов, белках, метаболитах и микробиоме врач формирует системную карту организма, аналогичную генеральному плану здания ¹.

Мультиомики помогают видеть систему целиком, отслеживать взаимосвязи, контролировать функции элементов и динамику процессов и принимать меры до того, как что-то сломается.

Вы узнаете:

• Геномика: генетический чертеж организма
• Метагеномика: список жильцов
• Метатранскриптомика: электроснабжение, водопровод и лифты
• Метапротеомика: рабочие инструменты и строительные материалы
• Метаболомика: химический отчет о жилом комплексе

Геномика: генетический чертеж организма

Геномика описывает последовательность ДНК клеток пациента (здоровых или дефектных), мутации, генетические варианты. Это еще не мета-омика, но без нее более масштабные исследования невозможны.

Когда врачи начали широко применять полногеномное и полноэкзомное секвенирование, доля вовремя диагностированных тяжелых или редких заболеваний резко возросла. Например, в Австралии в рамках национальной программы при помощи секвенирования генома обследовали тяжелобольных детей. Среднее время диагностики составило 2,9 суток, а доля поставленных диагнозов — 54%². Результаты геномного анализа изменили тактику лечения у 77% пациентов².

Ученые из США и Кореи провели исследование, в котором сопоставили данные полногеномного секвенирования опухоли и анализа нормальной ДНК пациента. В 72% случаев удалось выявить клинически значимые отклонения, а в 69% — потенциально управляемые терапевтические мишени: драйверные мутации, сигнатуры мутаций, опухолево-ассоциированные гены³.

С практической точки зрения геномика нужна для быстрого поиска редких генетических мутаций, которые нельзя выявить обычными тестами. Она помогает в прогнозировании и подборе персонализированной терапии.

Метагеномика: список жильцов

Поиск причин и способов терапии тяжелых заболеваний. Например, исследователи совместили данные секвенирования 16S-рРНК с анализом уровня других биомаркеров. Это позволило выявить связь между уровнем циркулирующего цитокина CCL2, составом микробиоты и риском развития колоректального рака⁵.

В метагеномном исследовании под руководством Джейсона Ллойда-Прайса американские ученые обнаружили, что при обострении ВЗК увеличивается доля факультативных анаэробов, таких как E. coli; снижается количество бактерий, вырабатывающих короткоцепочечные жирные кислоты, например, Faecalibacterium⁶.

Применение метагеномики расширяет возможности точной этиологической диагностики и патогенетически обоснованной терапии.

Метатранскриптомика: электроснабжение, водопровод и лифты

С помощью метатранскриптомики исследователи анализируют⁷:

• Активность молекул мРНК — фактический объем транскриптов, синтезированных элементами микробиома в конкретный момент.
• Работу генов и метаболических путей.
• Интенсивность выработки сигнальных молекул.

В исследовании Ллойда-Прайса, о котором мы говорили выше, изучали, как меняется функциональная активность микробиоты в зависимости от состояния пациентов с ВЗК⁶.

В периоды обострений состав кишечной микробиоты значительно отклонялся от нормы, но численность Clostridium bolteae, Clostridium hathewayi и Ruminococcus gnavus, усиливающих воспаление,оставалась стабильной. А вот транскрипционная активность этих микроорганизмов повышалась. Это значит, что уровень экспрессии микробных генов может быть более чувствительным маркером воспаления и нарушения работы метаболических путей, чем наличие или отсутствие конкретных видов бактерий⁶.

На практике метатранскриптомика помогает врачу:

• Решать, нужно ли лечить инфекцию или достаточно наблюдать пациента, с учетом активности репликации токсинов.
• Оценивать эффективность терапии по данным об изменении транскрипции после начала лечения.
• Выявлять функциональные нарушения, предвестники осложнений или признаки повышенного риска развития заболеваний по изменению активности экспрессии микробных или собственных генов.

В результате статичная картина микробного состава становится динамическим отображением биологических процессов.

Метапротеомика: рабочие инструменты и строительные материалы

Метапротеомика изучает ферменты, транспортеры, токсины — белки, которые продуцируют клетки и микробы. Эта наука помогает выяснить, какие молекулярные функции реализуются наиболее интенсивно, и идентифицировать конечные эффекты генной активности⁷.

Метаболомика: химический отчет о жилом комплексе

Эта наука исследует метаболиты в тканях, крови или других биологических жидкостях.

• В проспективном исследовании для анализа крови использовали ЯМР-спектроскопию. Авторы выяснили, что по метаболическим профилям можно с высокой точностью дифференцировать пациентов с солидными опухолями от здоровых людей: чувствительность составила 94%, специфичность — 82%, ROC-AUC — 0,83⁹.
• В исследовании с участием пациентов с немелкоклеточным раком легкого проанализировали данные о составе микробиоты и ее метаболитах и сопоставили с выраженностью клинического ответа на противоопухолевую терапию. У пациентов, которые лучше реагировали на лечение, обнаружили более разнообразный состав микробиоты. Выявили специфические метаболомные сигнатуры, например высокую концентрацию короткоцепочечных жирных кислот и других веществ, ассоциированных с иммуномодуляцией ¹.

Результаты этих исследований подтверждают, что мультиомные методы диагностики могут помочь предсказать эффективность лечения до его старта, а метаболомный анализ можно использовать как скрининговый инструмент в первичном звене при неспецифических симптомах онкологических заболеваний на этапе до инвазивных исследований¹.

Благодаря мультиомному подходу специалисту больше не приходится собирать воедино фрагменты информации из отдельных тестов: он может принимать решения на основе комплексных данных о функционировании организма.

Сокращения

AUC — area under the curve (площадь под ROC-кривой); ROC-AUC — receiver operating characteristic — area under the curve (характеристика точности теста); CCL2 — C-C motif chemokine ligand 2 (циркулирующий хемокин); SCFA — short-chain fatty acids (короткоцепочечные жирные кислоты); ВЗК — воспалительные заболевания кишечника; ДВС — диссеминированное внутрисосудистое свертывание; ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота; мРНК — матричная рибонуклеиновая кислота; ПЦР — полимеразная цепная реакция; ЯМР — ядерный магнитный резонанс.

Источники

1. Fulci, V. Meta’omics: Challenges and Applications / V. Fulci // International Journal of Molecular Sciences. — 2022. — Vol. 23. — P. 6486.
2. Lunke, S. Integrated multi-omics for rapid rare disease diagnosis on a national scale / S. Lunke, S. E. Bouffler, C. V. Patel, et al. // Nature Medicine. — 2023. — Vol. 29. — P. 1681–1691.
3. Kim, R. Clinical application of whole-genome sequencing of solid tumors for precision oncology / R. Kim, S. Kim, B. B. L. Oh, et al. // Experimental & Molecular Medicine. — 2024. — Vol. 56. — P. 1856–1868.
4. Büchler, A. C. Mycobacterium chelonae infection identified by metagenomic next-generation sequencing as the probable cause of acute contained rupture of a biological composite graft — a case report / A. C. Büchler, V. Lazarevic, N. Gaïa, et al. // International Journal of Molecular Sciences. — 2022.— Vol. 23. — P. 381.
5. Nardelli, C. 16S rRNA of mucosal colon microbiome and CCL2 circulating levels are potential biomarkers in colorectal cancer / C. Nardelli, I. Granata, M. Nunziato, et al. // International Journal of Molecular Sciences. — 2021. — Vol. 22. — No. 19. — P. 10747.
6. Lloyd-Price, J. Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases / J. Lloyd-Price, C. Arze, A. N. Ananthakrishnan, et al. // Nature. — 2019. — Vol. 569. — P. 655–662.
7. Butowski, C. F. Metatranscriptomics for understanding the microbiome in food and nutrition science / C. F. Butowski // Metabolites. — 2025. — Vol. 15. — No. 3. — P. 185.
8. Henry, C. Modern metaproteomics: a unique tool to characterize the active microbiome in health and diseases, and pave the road towards new biomarkers — example of Crohn’s disease and ulcerative colitis flare-ups / C. Henry, A. Bassignani, M. Berland, et al. // Cells. — 2022. — Vol. 11. — No. 8. — P. 1340.
9. Larkin, J. R. Metabolomic biomarkers in blood samples identify cancers in a mixed population of patients with nonspecific symptoms / J. R. Larkin, S. Anthony, V. A. Johanssen, et al. // Clinical Cancer Research. — 2022. — Vol. 28. — No. 8. — P. 1651–1661.