Генная терапия человека: методы

Развитие человека обусловлено генетическими факторами и фактором внешних условий. Генетическая информация содержится в ДНК хромосом и митохондрии.

Генотип — это генетическое строение человека; данный термин может относиться к генетическому составу человека во всей его полноте или только в одной области (положении) хромосомы. Кариотипом называется полный набор хромосом в клетках человека.

Понятия «генотип» и «фенотип» тесно связаны между собой, однако не тождественны. Фенотип представляет собой выражение или проявление генотипа, обнаруживающее себя по прошествии времени наряду с воздействием внешних условий. Фенотип находит выражение в чертах человека. Черта может быть простой (цвет глаз) или сложной (предрасположенность к диабету). Если черта является доминирующей, то для ее проявления необходима только одна копия доминирующего гена. Проявление рецессивной черты требует двух копий рецессивного гена.

Проявление черты может затронуть только один ген в одном положении хромосомы. Черты такого рода («менделевские черты») наследуются в виде легко узнаваемых моделей. В проявлении других черт принимает участие более одного гена — это придает им более сложный характер. У третьих черт проявление требует более одного гена и взаимодействия с фактором внешних условий. Результатом такого взаимодействия не всегда являются легко узнаваемые модели выражения или наследования. Выражение генов, отвечающих за узнаваемые черты, еще более усложняется за счет митохондриальных и нетрадиционных моделей наследования.

Гены (у человека — от 20 000 до 30 000) содержатся в хромосомах и митохондрии. Нормой содержания хромосом в соматических (неэмбриональных) клетках человека являются 46 хромосом, организованных в 23 пары. Каждая пара состоит из одной хромосомы матери и одной хромосомы отца. Двадцать две пары из 23 — аутосомы — обычно являются гомологическими (идентичными по размеру, форме, расположению и количеству генов). Одна пара — половые хромосомы (X- и Y-) — определяет пол человека. В ядре каждой соматической клетки женщины располагаются две Х-хромосомы (гомологические), клетки мужчин содержат одну X- и одну Y-хромосому (гетерологические). Х-хромосома содержит гены, отвечающие за многие наследственные черты. Маленькая, отличная от нее по форме Y-хромосома содержит гены, отвечающие за половую дифференциацию наряду с другими генами. Эмбриональные клетки (яйцеклетка и сперматозоиды) подвергаются мейозу, который сокращает количество хромосом до 23 — это половина от общего числа соматических клеток (46). Таким образом, когда яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом при зачатии, нормальное количество в 46 хромосом восстанавливается. При мейозе генетическая информация, унаследованная человеком от матери и отца, воссоединяется посредством кроссинговера (обмена между гомологическими хромосомами).

Гены — фундаментальные единицы наследственности — расположены в линейной последовательности вдоль ДНК хромосом; каждый ген имеет свое собственное расположение в хромосомах. Число и размещение таких участков в гомологических хромосомах обычно идентичны.

Однако специфические гены могут задавать незначительные структурные изменения — полиморфизмы. Гены, занимающие одно и то же положение в каждой хромосоме пары (один из них наследуется от матери, второй — от отца), называются аллелями. Каждый ген состоит из определенной последовательности нуклеотидов. Два аллельных гена могут иметь либо одинаковые последовательности нуклеотидов, либо слегка различные. Человек, обладающий парой идентичных аллелей для определенного гена, является гомозиготным, носитель же пары неидентичных аллельных генов является гетерозиготным.

Генная структура — лишь часть комплекса биологических взаимодействий, имеющих своим конечным результатом выражение гена. Среди других факторов различают контрольные элементы (промоторы и гены-усилители), кодирующие последовательности (экзоны), промежуточные последовательности, расположенные между экзонами и не несущие информации о белках (интроны), а также сигналы завершения.

Выразительность и пенетрантность

На фенотипическое выражение гена (его выразительность) могут оказывать влияние как внешние условия, так и другие гены, в результате чего люди, обладающие одинаковым геном, отличаются фенотипом. Пенетрантность — это степень проявления гена в той или иной черте. У некоторых черт невозможно обнаружить клиническую аномалию в ряде носителей (явление получило название «непенетрантности»). Однако здоровый носитель аномальной аллели может передать ее своим детям, у которых все аномалии способны проявиться в полной мере. В таком случае тип пропускает одно поколение. Однако некоторые случаи очевидной непенетрантносги являются следствием незнания исследователем незначительных проявлений расстройства или результатом диагностической ошибки. Случаи минимального выражения иногда называются неманифестной формой (formes frustes) расстройства.

Плейотропия

Дефект одного гена может породить аномалии в системах многочисленных органов. К примеру, остеогенезис имперфекта (патология соединительной ткани, часто вызываемое аномалиями в генах, кодирующих синтез коллагена) может вызвать слабость кости, глухоту, синеватость глазных белков, дисплазию зубов, сверхподвижность суставов и аномалии сердечных клапанов.

Наследственность, ограниченная полом

Черта, проявляющаяся только у одного пола, называется ограниченной полом. Ограниченная полом наследственность отличается от наследственности сцепленного с Х-хромосомой гена, которая отсылает к чертам, переносимым Х-хромосомой. Ограниченная полом наследственность, или, точнее, обусловленная полом наследственность, относится к особым случаям, при которых половые гормоны и другие физиологические различия между полами вносят изменения в выразительность и пенетрантность гена. Например, раннее облысение является аутосомной доминантной чертой, но, вероятно, из-за характера женских половых гормонов облысение редко проявляется у женщин, но и тогда обычно после менопаузы.

Мутации

Мутации — это спонтанные изменения в генетической информации (ДНК), новые мутации, таким образом, порождают новую черту в семейном типе. Так, около 80 % людей с ахондропластической микросомией (аутосомной доминантной чертой) не имеют истории микросомии в семье, а значит, представляют новые мутации. В случае ахондроплазии мутации происходят в очень специфическом месте в гене. Что касается многих других черт, новые мутации могут происходить в разных областях гена (или даже в разных генах). В целом, у здоровых родителей не повышается риск впоследствии родить детей с аномалией, но у некоторого числа казавшихся здоровыми родителей действительно появились 2 или даже 3 ребенка с типичной доминантной ахондропластической микросомией. Объяснением может служить эмбриональная мутация, которая происходит рано в эмбриональной жизни кажущегося здоровым родителя, когда есть только небольшое количество зародышевых клеток. Клетка, в которой заключена новая мутация, может затем порождать большое количество клеток для развития половых желез. Существование эмбриональных мутаций было доказано в ходе молекулярных исследований генной мутации у родителей и детей.

Генная терапия

Терапия генных расстройств часто похожа на терапию других болезней. Так, комбинаций продуктов, опасных для пациента (например, при фенилкетонурии, гомоцистинурии), можно избежать при помощи специальных диет. Витамины и другие агенты могут улучшить биохимический метаболический путь и, таким образом, сократить уровень токсичности комбинации. К примеру, фолиевая кислота уменьшает уровень гомоцистина у людей с полиморфизмом в 5,10-метилентетрагидрофолатредуктазой. Терапия может включать замещение недостающего состава или блокировку сверхактивного метаболического пути. Ребенка в материнском чреве можно лечить посредством лечения матери (например, кортикостероиды конгенитальной вирилизирующей адренальной гипоплазии) или при помощи уретроклеточной терапии (например, трансплантация стволовых клеток). Новорожденным с генетическим расстройством может понадобиться трансплантация стволовых клеток или органов.

Генная терапия может предполагать внедрение нормальных копий гена в клетки людей со специфическим генетическим расстройством. Испытания соматической генной терапии проводились при очень серьезных генетических болезнях (например, дефицит аденозиндеаминазы). Генная терапия зародышевой линии может также предполагать корректировку аномалии в генах спермы или яйцеклетки, однако использование такой терапии сопряжено с вопросами этики. Генная терапия может также включать отключение генов (например, при помощи противоаллергена ДНК).

Клиническая диагностика

Клиницист должен уметь сделать выбор из большого количества тестов и интерпретировать огромный объем клинической информации, при этом сталкиваясь с такими проблемами, как неоднозначность показателей, риск для пациента и стоимость лечения. Клиницист должен решить, какую именно информацию следует собрать, какие анализы назначить, как их интерпретировать и как интегрировать эту информацию в гипотезу диагноза, какой способ лечения назначить — это все и есть проблема под названием «клиническая диагностика».

Клинические правила

Традиционно, клиническая диагностика следует логическому правилу «если..., то...» (например, если у пациента наблюдается лихорадка и нейтропения, то следует прописать антибиотики широкого спектра). Подобные правила можно четко сформулировать и представить в виде алгоритмов или руководства. Подобные руководства пользуются все большей популярностью, но должны применяться только к тем пациентам, которые попадают под определенный клинический контекст, ясно и четко выраженный в алгоритме.

Однако большая часть пациентов обладает некоторой чертой, которая отличает их от групп, представленных в подобных формальных руководствах. Руководства не могут адекватно охватить степень вариативности среди пациентов с различными демографическими характеристиками, сопутствующими патологиями и историями болезней. Руководства могут помогать при решении различных клинических проблем, но клиницист всегда должен использовать свою способность к вынесению уместного клинического суждения и интерпретировать противоречивые данные, которые не попадают под четкое правило. Для того чтобы сочетать неоднозначность показателей и относительную ценность потенциальных последствий, а также для того, чтобы следовать логике и принципам принятия клинических решений, клиницисты должны правильно оперировать понятием «вероятность».

Формализация процесса принятия клинического решения вынуждает клинициста столкнуться с неоднозначными факторами, которые лежат в основе принятия решений. И хотя клиницисты принимают сложные решения и неофициально взвешивают риск и преимущество различных возможностей в непосредственных или обычных ситуациях, иногда количество информации, которую они должны принять во внимание, выходит за пределы их когнитивных возможностей. При принятии клинического решения определенную роль могут также сыграть математические подсчеты, которые, даже при отсутствии точных цифр, все равно могут усовершенствовать определение клинических возможностей и их логических последствий.

Принятие решений и степень вероятности

Клиницисты часто составляют список возможных причин заболевания для того, чтобы лучше понять симптомы пациента — это дифференцированный диагноз. Некоторые причины более или менее вероятны. Клиницисты часто используют нечеткие термины «высоко вероятно», «невероятно» и «невозможно» для того, чтобы описать вероятность развития болезни. И клиницист, и пациент могут неправильно интерпретировать такие неоднозначные термины. Неточная терминология может быть улучшена при помощи четких показателей, называемых вероятностями.

Вероятность болезни (или события) у пациента, чья клиническая информация неизвестна, есть частота, с которой эта болезнь или событие происходит среди населения. Вероятности ранжируются от 0,0 (невероятно) до 1,0 (точно) и часто выражаются в виде пропорции на 100 пациентов (т.е. процент от 1 до 100). Если только два состояния (болезнь и не болезнь) принимаются во внимание, то вероятности могут иногда быть лучше поняты при рассмотрении соотношения числа больных и здоровых пациентов (т.е., неравенство «болезнь и не болезнь»). Таким образом, вероятность 0,2 (20 %) соответствует неравенству 0,2/0,8 (20 %/80 %) или 0,25 (иногда это выражается как 1 из 4). Неравенство и вероятности  можно конвертировать друг в друга, так, / (1— )или /(1+ ). Округление очень маленьких вероятностей до 0, которое исключает малейшую вероятность болезни (что иногда делается при невыраженном клиническом рассуждении), может привести к неверным выводам количественного рассуждения.

Диагностирующее тестирование

Для принятия решений клиницисты часто используют лабораторные тесты. Результаты теста могут снизить степень неопределенности, поставить диагноз (диагностирующее тестирование) или определить пациентов, которые имеют склонность к развитию скрытой болезни (скрининг-тест). Однако результаты теста могут также увеличить степень неопределенности, если тесты плохо определяют больных и здоровых пациентов, если результаты теста контрастируют с клинической картиной или если результаты теста неверно интегрированы в клинические контекст.

Лабораторные тесты не идеальны, они могут неверно определить тех, кто не болен, как больных (ложноположительный результат) или наоборот (ложноотрицательный результат). Способность теста верно определять наличие и отсутствие болезни зависит от того, насколько вероятно наличие и отсутствие болезни у пациента.

В дополнение к риску распространения неверной информации лабораторные исследования основываются на ограниченных ресурсах, что может отсрочить необходимое лечение, повлечь за собой ненужное лечение и подвергнуть пациента риску неблагоприятных последствий самого теста.

Несмотря на то, что единичный анализ может обеспечить информацией о разнообразных болезнях, анализ часто используется для того, чтобы диагностировать наличие или отсутствие только одной болезни. Также многие анализы обеспечивают количественный результат (например, сахар крови 120 мг/дл) или один из нескольких результатов (например, ЭКГ с нагрузкой с < 1,1 — 2, > 2 мм ST-сегментная депрессия), определяемых как положительные только тогда, когда они совпадают или превышают некоторый установленный критерий или предел. Такие пределы могут базироваться на статистических данных или могут быть приспособлены к отражению проблемы ложноположительных и ложноотрицательных результатов. Когда лабораторные тесты используются для того, чтобы установить наличие или отсутствие той или иной болезни, а результаты теста могут быть только положительными или отрицательными, может быть определена чувствительность теста и его точность.

• Чувствительность — это вероятность положительного результата теста у больных пациентов. Она описывает то, насколько эффективно данный тест или анализ определяет наличие болезни. Ложноотрицательная норма — компонент чувствительности (т.е. ложноотрицательная норма + чувствительность = 100 %).

• Точность есть вероятность отрицательного результата анализа у здоровых пациентов. Она отражает то, насколько хорошо данный анализ определяет отсутствие болезни. Ложноположительная норма — компонент точности.

• Условная вероятность — вероятность того, что болезнь (или случай) произойдет, если можно констатировать наличие другого случая, результата анализа или условия. Чувствительность и точность — это специальные типы условных вероятностей; вероятность получения положительного или отрицательного результата, если болезнь присутствует или отсутствует, определяется согласно некоторому золотому стандарту (часто основанному на гистологических, микробиологических или радиографических критериях, которые определяют наличие или отсутствие болезни).

• Предварительная (или предтестовая) вероятность — это вероятность того, что пациент имеет определенное состояние или болезнь прежде, чем станет известен результат теста или анализа. Предварительная вероятность основывается на следующем клиническом суждении: насколько убедительно симптомы и признаки свидетельствуют о том, что болезнь действительно присутствует, что именно в истории пациента и факторах риска подтверждает диагноз, а также насколько распространена данная болезнь среди населения.

• Послетестовая вероятность — это вероятность того, что определенное состояние или болезнь присутствуют после того, как становятся известны результаты анализа. То, насколько результаты анализа изменяют оценку вероятности болезни, зависит от чувствительности и точности анализа.

Пациенты часто должны решить, согласны ли они на прохождение скрининг-теста для обнаружения скрытой болезни. Предпосылкой для скрининг-теста является возможность раннего обнаружения болезни, что может улучшить результаты у пациентов со скрытой болезнью, кроме того, ложноположительные результаты, которые клиницист часто получает в ходе скрининг-теста, не мешают раннему выявлению болезни. При множестве доступных сегодня методов скрининга следует изучить все возможности таких методов. Так, анализ с точностью 95 % закончится тем, что 5 % пациентов не получат информации о диагностируемой болезни из-за ложноположительного результата. Если были применены два различных метода скрининга, каждый из которых был проделан относительно другой скрытой болезни у пациента, который фактически не страдает ни одной, ни другой болезнью, вероятность того, что оба результата будут отрицательны, составит 95 % 95 % или 90 %. При этом с вероятностью 10 % можно утверждать получение ложноположительного результата.

Если бы были применены три различных метода скрининга для диагностики трех несвязанных болезней, вероятность того, что все три будут отрицательны, составит 95 % или 86 %, что соответствует 14 % вероятности получения хотя бы одного ложноположительного результата. Если же будут применены 12 различных методов анализа для распознавания 12 различных болезней, вероятность получения хотя бы одного ложноположительного результата составит 46 %! Все это подчеркивает потребность в осторожности при выборе системы методов скрининга и при интерпретации результатов.