Возникновение воспаления и инфекции у человека, выздоравливающего после травмы, такой как автомобильная авария или тяжелые ожоги, может быть столь же смертельным, как и сам инцидент. Новые результаты исследователей Принстонского университета, которые изучали активность генов у жертв травм, могут помочь предсказать и лучше лечить такие неожиданные осложнения.
Принстонское исследование, опубликованное в сентябре. В 13 выпуске журнала PLoS Medicine впервые показано, что люди, выздоравливающие после серьезной травмы – независимо от возраста, пола или предыдущего состояния здоровья – проявляют аналогичную активность генов при изменении их состояния, что врачи могут использовать для прогнозирования и подготовки к ухудшение состояния пациента.
Проведенная исследователями Принстона оценка образцов крови 168 пациентов с травмами, полученными тупым предметом, показала, что изменения в активности или экспрессии генов в иммунной системе постоянно совпадали с ухудшением состояния пациента. Гены иммунной системы "выражать" через излияние белков, чтобы помочь активировать и направить клеточный ответ на травмы и вирусы, бактерии или другие патогены. В частности, экспрессия двух наборов генов сильно колебалась по мере того, как у пациентов развивались осложнения и они приближались к смерти.
После того, как исследователи определили гены, которые наиболее соответствовали состоянию здоровья пациента, они создали модель, основанную на экспрессии генов, которая могла бы помочь врачам лучше оценивать и лечить критически важных пациентов.
"Многие гены менялись внутри этих пациентов по мере того, как их тела приспосабливались к полученной травме, но мы хотели найти гены, которые со временем предсказали исход для пациента," сказал старший автор Джон Стори, доцент кафедры молекулярной биологии из Принстона и Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера. Он работал с первыми соавторами статьи PLoS Medicine Кейером Десаи и Чуэн-Сенг Тан, научными сотрудниками в лаборатории Стори.
"Мы начали этот проект три года назад с приблизительно 50 000 задокументированных экспрессий генов у этих пациентов," Стори сказал. "Мы были поражены, увидев, что по мере того, как список генов, непосредственно связанных со здоровьем пациента, становился меньше, биологическая картина становилась более ясной, и мы могли точно определить конкретные пути. Было поразительно видеть что-то настолько чистое, что получилось из исследования с таким количеством переменных."
100 миллионов долларов на поиск геномного ответа на травму
Открытия в Принстоне являются последними из результатов 10-летней попытки стоимостью 100 миллионов долларов разгадать геномные основы того, почему люди испытывают совершенно разные результаты после аналогичных травм. Проект «Воспаление и реакция организма на травмы» (IHRI), базирующийся на базе Массачусетской больницы общего профиля, собрал более 60 исследователей из различных университетов США.S. университеты. Консорциум IHRI изучил 1977 пациентов с тяжелыми травмами и ожогами в U.S. травматологические центры с 2003 по 2011 год, и исследователи из Принстона работали с данными 168 из этих пациентов. Национальный институт общих медицинских наук, подразделение Национальных институтов здравоохранения, профинансировал проект через свои крупномасштабные совместные проекты, или "Клей Грант," программа.
Работа, проведенная в Принстоне, позволила сделать один из самых важных выводов проекта – что на генетическом уровне иммунная система человека на самом деле очень последовательна от человека к человеку, – сказал Рональд Томпкинс, главный исследователь проекта IHRI и соавтор. отчета PLoS Medicine.
Традиционная медицинская мудрость долгое время считала, что причина, по которой 20-летний мужчина с ужасными травмами выписывается из больницы через семь дней, а 65-летний мужчина с аналогичными травмами в конечном итоге умирает, заключается в том, что основные элементы его иммунной системы полностью отключены. – сказал Томпкинс, начальник ожоговой службы в Массачусетсе и профессор хирургии в Гарвардской медицинской школе. Это предположение затрудняет прогнозирование и устранение осложнений. Десаи, Стори и Тан, однако, показали, что иммунные ответы можно предвидеть в универсальной активности генов, сказал Томпкинс.
"Будут различия из-за мутаций, но общие системы работают почти одинаково от человека к человеку," Томпкинс сказал. "Эта статья – первая, в которой действительно установлено, что различия в геномном ответе являются количественными. Системы молодого пациента по сравнению с пожилым пациентом качественно идентичны. Степень, с которой гены регулируют вверх или вниз, может быть меньше, а отклонения могут вернуться в норму быстрее или медленнее. Но нет новых генов или путей для набора, и направление регуляции одинаково в обоих."
Неустойчивый иммунный ответ: «Вот почему они умирают»
Исследователи из Принстона проанализировали данные о пациентах, которые наблюдались в течение 28 дней другими исследователями, участвовавшими в проекте IHRI, и чье состояние здоровья было задокументировано с помощью почти 400 клинических переменных, описывающих состояние пациентов. В рамках усилий по лучшему пониманию геномной активности этих жертв травм исследователи Стэнфордского университета, участвовавшие в проекте, проанализировали образцы крови, чтобы создать профиль экспрессии генов лейкоцитов для каждого пациента.
Используя эти данные, собранные исследователями из Стэнфорда, команда из Принстона сначала создала систему для классификации состояния каждого пациента. Тан использовал документацию о состоянии и прогнозе пациентов, чтобы разработать пять отдельных категорий, основанных на вероятности смерти от полиорганной недостаточности – все пациенты пятой категории в конечном итоге умерли. В то же время Десаи собрал массу данных о генах в шкалу, показывающую, как экспрессия каждого гена менялась с течением времени для каждого пациента.
Стори и его коллеги использовали эти шкалы, чтобы определить, какие гены демонстрируют наибольшее изменение экспрессии при ухудшении здоровья пациента. Они сузили начальные 50000 выражений до 3000 основных выражений генов, связанных с состоянием пациента.
Второе сокращение списка – на этот раз до 500 лучших выражений генов, связанных со здоровьем – выявило два набора генов, активность которых предопределяла исход пациента в течение 40-80 часов после травмы. Гены MHC-класса II, которые распознают белки, борющиеся с инфекциями, известные как антигены, и транспортируют их на поверхность специализированных клеток, которые затем осуществляют иммунный ответ, показали снижение экспрессии по мере ухудшения состояния пациента. В то же время экспрессия генов, известных как p38 MAPK, которые вызывают воспаление и отек – часть иммунного арсенала организма – явно резко возросла.
В совокупности эти наблюдения предполагают, что у пациентов с травмами, которые в конечном итоге умирают, развивается неустойчивый и парадоксальный иммунный ответ, сказал Стори.
"Возможно, поэтому они умирают," он сказал. "У пациентов из нашей пятой категории было массовое воспаление, которое нанесло ущерб их органам, потому что был обнаружен p38 MAPK, но гены, которые распознают и помогают бороться с патогенами, MHC-class II, были отвергнуты."
Используя набор из 3000 экспрессий генов, исследователи из Принстона создали модель, призванную помочь врачам соотнести геномную активность со статусом здоровья. По словам Стори, модель напоминает методы, используемые для диагностики таких состояний, как сердечные приступы, путем определения степени тяжести различных факторов. Модель состоит из пяти отдельных графиков, каждый из которых коррелирует паттерны экспрессии в конкретном семействе генов с пятью категориями состояний пациента на основе вероятности смерти, установленной ранее исследователями. Модель установлена на временной шкале от 12 часов до примерно 10 дней после травмы.
Модель показывает, например, что если одно семейство генов демонстрирует скачок экспрессии на ранней стадии, состояние пациента может быть в смертельной пятой категории; однако, если активность тех же генов быстро снижается, у пациента может быть хороший результат. Такое же определение делается для каждого из пяти графиков паттернов экспрессии генов, чтобы установить общий риск заражения и смерти пациента.
"Нам нужно было что-то, что врач мог бы использовать в клинических условиях для определения состояния пациента," Стори сказал. "Способ сделать это был через модель, которая невероятно проста и прямолинейно описывает естественные процессы.
"С таким объемом данных, с которым мы начали, мы боролись годами, прежде чем осознали, что этот тип модели – это то, что нужно," Стори сказал. "Это было неочевидно, и мы хотели создать сложную модель экспрессии всех генов. Это было похоже на использование простых инструментов для ремонта автомобиля, когда возникает соблазн отремонтировать двигатель. Но простые инструменты работали очень хорошо."
Этот простой инструмент – практическая клиническая модель, созданная из множества данных экспрессии – является значительным шагом на пути к использованию геномного анализа для непосредственного лечения пациентов, – сказал Стивен Френд, президент компании Sage Bionetworks из Сиэтла, а также биохимик и врач. Френд, чья компания поддерживает и помогает в проведении геномных исследований с клиническими приложениями, не участвовал в исследованиях Принстона, но он знаком с ними.
По словам Френда, за последние пять лет геномные профили пациентов стали обычным явлением в коммерческих и академических клинических испытаниях. Однако, когда дело доходит до лечения, применение геномики не так широко. Одна из причин заключается в том, что преимущество мониторинга экспрессии гена пациента, а именно то, что тысячи маркеров здоровья могут быть идентифицированы с помощью генетической активности, также приводит к созданию проблемно большого набора данных, как обнаружили исследователи из Принстона.
"Их работа показывает логический способ приручить эти десятки тысяч переменных и поместить их в практическое, проницательное руководство, которое может использовать врач," Друг сказал.
"Что еще более важно, группа Стори применила геномику к той области, которая действительно в ней нуждается. Они элегантно упорядочили шаблоны выражения, что позволило бы проанализировать эту информацию для принятия конкретных решений, которые будут определять клиническую помощь. Такая работа – именно то, что необходимо для расширения использования и преимуществ данных геномики до практического повседневного использования в клинике."
‘Это похоже на мощный взрыв’
Работа группы Стори, наконец, систематизирует то, что известно о посттравматическом воспалении, таким образом, чтобы это было необходимо для лечения этого состояния, сказал соавтор Рональд Майер, хирург и профессор Медицинской школы Вашингтонского университета, который курировал и координировал клиническая часть проекта IHRI.
Предыдущие исследования показали, что около двух третей наборов генов вступают в действие у пациентов с тяжелыми травмами, делая иммунный ответ настолько сверхактивным и продолжительным, что он может быть смертельным. По его словам, исследователи из Принстона предоставили метод, позволяющий отличить из потока экспрессий генов активность, которая является основной для осложнений.
"Evolution не планировала выжить в хирургическом отделении интенсивной терапии," Майер сказал. "Эти пациенты настолько ранены, и реакция настолько сильна, что становится саморазрушительной. Это похоже на мощный взрыв. Это постоянно меняющийся процесс, поэтому вы можете представить, как пытаетесь отследить 15 000 белков, которые меняются с течением времени. Эта работа заключается в внедрении новой техники обработки такого огромного количества данных."
Кроме того, исследователи из Принстона определили потенциальные мишени для лекарств для контроля иммунного ответа, который приводит к воспалению, сказал Майер. По его словам, прошлые попытки сдержать эту реакцию не увенчались успехом из-за сложной взаимосвязи, существующей между тысячами генов и белков. По его словам, экспериментальные препараты ориентированы на определенные гены и белки, иногда устраняя то, что оказалось решающими игроками, и еще больше расстраивают систему.
"Оглядываясь назад, подходы к этой проблеме могли быть несколько наивными," Майер сказал. "Существуют тысячи белков, и исправление одного или двух из них вряд ли окажет влияние. Преимущество, которое мы хотим от IHRI, заключается в использовании генов, наиболее тесно связанных с результатами лечения пациента, для разработки целевого вмешательства и лекарственной терапии.
"Эта работа предоставляет математическую модель для понимания экстремальной реакции организма на травму – теперь задача состоит в том, чтобы придумать механизмы для безопасного контроля над ней."