Введение
В медицине биомаркер – это измеримый показатель тяжести или наличия какого-либо заболевания. Он может быть определен как «клеточное, биохимическое или молекулярное изменение в клетках, тканях или жидкостях, которое можно измерить и оценить для индикации нормальных биологических процессов, патогенных процессов или фармакологических реакций на терапевтическое вмешательство». Биомаркер может быть веществом, вводимым в организм для изучения функции органа или других аспектов здоровья. Например, хлорид рубидия используется в изотопной маркировке для оценки перфузии сердечной мышцы. Он также может быть веществом, чье обнаружение указывает на определенное заболевание, например, наличие антитела может свидетельствовать об инфекции. Более конкретно, биомаркер указывает на изменение экспрессии или состояния белка, которое коррелирует с риском или прогрессированием заболевания, либо с восприимчивостью к определенному лечению. Биомаркеры могут представлять собой характерные биологические свойства или молекулы, которые можно обнаружить и измерить в различных частях тела, таких как кровь или ткани. Они могут указывать как на нормальные, так и на патологические процессы в организме. Биомаркерами могут быть специфические клетки, молекулы или гены, продукты генов, ферменты или гормоны. Сложные функции органов или общие характерные изменения в биологических структурах также могут служить биомаркерами. Хотя термин «биомаркер» относительно нов, биомаркеры используются в доклинических исследованиях и клинической диагностике уже давно. Например, температура тела – хорошо известный биомаркер лихорадки. Артериальное давление используется для определения риска инсульта. Широко известно также, что уровень холестерина является биомаркером и фактором риска развития коронарных и сосудистых заболеваний, а С-реактивный белок (СРБ) – маркером воспаления. Биомаркеры полезны во многих отношениях, включая измерение прогрессирования заболевания, оценку наиболее эффективных терапевтических схем для конкретного типа рака и определение долгосрочной восприимчивости к раку или его рецидиву. Биомаркеры характеризуют прогрессирование заболевания, начиная с самых ранних стадий его развития. Биомаркеры оценивают восприимчивость и тяжесть заболевания, что позволяет прогнозировать исходы, определять необходимые вмешательства и оценивать терапевтические ответы. С точки зрения судебно-медицинской экспертизы и эпидемиологии, биомаркеры предоставляют уникальную информацию о взаимосвязи между факторами риска окружающей среды. Параметр может быть химическим, физическим или биологическим. В молекулярном плане биомаркер – это «подмножество маркеров, которые могут быть обнаружены с использованием геномики, протеомики или технологий визуализации». Биомаркеры играют важную роль в медицинской биологии, помогая в ранней диагностике, профилактике заболеваний, идентификации мишеней для лекарств и оценке реакции на лекарственные препараты. Для многих заболеваний были идентифицированы различные биомаркеры, такие как сывороточный ЛПНП для холестерина, артериальное давление, а также ген P53 и MMP в качестве опухолевых маркеров для рака.
Биомакеры, связанные с заболеваниями и биомаркеры, связанные с лекарствами
Необходимо различать биомаркеры, связанные с заболеванием, и биомаркеры, связанные с лекарственными средствами. Биомаркеры, связанные с заболеванием, дают представление о вероятном эффекте лечения на пациента (индикатор риска или прогностические биомаркеры), о наличии заболевания (диагностический биомаркер) или о том, как заболевание может развиваться в конкретном случае независимо от типа лечения (прогностический биомаркер). Прогностические биомаркеры помогают оценить наиболее вероятный ответ на определенный тип лечения, в то время как прогностические маркеры отражают прогрессирование заболевания, с лечением или без него. В отличие от этого, биомаркеры, связанные с лекарственными средствами, указывают на то, будет ли препарат эффективен у конкретного пациента и как организм пациента будет его перерабатывать. Помимо давно известных параметров, таких как те, что включены и объективно измеряются в анализе крови, существует множество новых биомаркеров, используемых в различных медицинских специальностях. В настоящее время активно ведутся работы по поиску и разработке инновационных и более эффективных биомаркеров. Эти "новые" биомаркеры стали основой для профилактической медицины, то есть медицины, которая выявляет заболевания или риск их развития на ранней стадии и принимает конкретные меры для предотвращения развития болезни. Биомаркеры также рассматриваются как ключ к персонализированной медицине, лечению, индивидуально подобранному для конкретных пациентов для высокоэффективного воздействия на патологические процессы. Часто такие биомаркеры указывают на изменения в метаболических процессах. "Классическим" биомаркером в медицине является лабораторный показатель, который врач может использовать для принятия решений при постановке диагноза и выборе курса лечения. Например, обнаружение определенных аутоантител в крови пациента является надежным биомаркером аутоиммунных заболеваний, а обнаружение ревматоидного фактора – важным диагностическим маркером ревматоидного артрита (РА) уже более 50 лет. Для диагностики этого аутоиммунного заболевания особенно ценны антитела к собственным цитруллинированным белкам организма. Эти антицитруллинированные белковые/пептидные антитела (ACPA) могут быть обнаружены в крови до появления первых симптомов РА. Таким образом, они являются очень ценными биомаркерами для ранней диагностики этого аутоиммунного заболевания. Кроме того, они указывают на то, угрожает ли болезнь тяжелым течением с серьезным повреждением костей и суставов, что является важным инструментом для врача при постановке диагноза и разработке плана лечения. Также появляется все больше данных о том, что ACPA могут быть очень полезны для мониторинга эффективности лечения РА. Это позволит более точно использовать современные методы лечения биологическими препаратами. Врачи надеются в скором времени иметь возможность индивидуально подбирать лечение ревматоидного артрита для каждого пациента. Согласно Häupl T. et al., прогнозирование ответа на лечение станет важнейшей целью исследований биомаркеров в медицине. С ростом числа новых биологических препаратов возрастает необходимость в выявлении молекулярных параметров, таких как ACPA, которые не только будут направлять терапевтическое решение, но и помогут определить наиболее важные мишени, для которых новые биологические препараты должны быть протестированы в клинических исследованиях. В 1998 году исследовательская группа NIH дала следующее определение: "характеристика, которая объективно измеряется и оценивается как показатель нормальных биологических процессов, патологических процессов или фармакологических реакций на терапевтическое вмешательство". Ранее биомаркеры были в основном физиологическими показателями, такими как артериальное давление или частота сердечных сокращений. В последнее время биомаркер все чаще используется как синоним молекулярного биомаркера, например, повышенный уровень специфического антигена простаты как молекулярный биомаркер рака простаты или использование ферментных анализов в качестве тестов функции печени. В последнее время возрос интерес к значимости биомаркеров в онкологии, включая роль KRAS при колоректальном раке и других раках, связанных с EGFR. У пациентов, опухоли которых экспрессируют мутированный ген KRAS, белок KRAS, являющийся частью сигнального пути EGFR, постоянно "активирован". Эта чрезмерная активация сигнального пути EGFR означает, что передача сигнала продолжается ниже по течению, даже когда восходящий сигнальный путь блокируется ингибитором EGFR, таким как цетуксимаб (Эрбитукс), что приводит к непрерывному росту и пролиферации раковых клеток. Тестирование опухоли на статус KRAS (дикий тип или мутантный) помогает определить пациентов, которые получат наибольшую пользу от лечения цетуксимабом. В настоящее время эффективное лечение доступно лишь для небольшого процента онкологических больных. Кроме того, многие пациенты с раком диагностируются на стадии, когда заболевание слишком далеко зашло для лечения. Биомаркеры способны значительно улучшить выявление рака и процесс разработки лекарств. Кроме того, биомаркеры позволят врачам разрабатывать индивидуальные планы лечения для своих пациентов с раком, что позволит подбирать препараты, специфичные для типа опухоли пациента. Благодаря этому повысится эффективность лекарств, снизится их токсичность и уменьшатся затраты, связанные с тестированием различных методов терапии и последующим лечением побочных эффектов. Биомаркеры также охватывают использование молекулярных индикаторов воздействия факторов окружающей среды в эпидемиологических исследованиях, таких как вирус папилломы человека или определенные маркеры воздействия табака, такие как 4 (метилнитрозамино) 1 (3-пиридил) 1-бутанон (NNK). На сегодняшний день биомаркеры для рака головы и шеи не установлены.
Требования к биомаркерам
При хронических заболеваниях, лечение которых может потребовать от пациентов многолетнего приема лекарств, особенно важна точная диагностика, особенно если ожидаются выраженные побочные эффекты от лечения. В этих случаях биомаркеры приобретают все большее значение, поскольку они могут подтвердить сложный диагноз или даже сделать его возможным изначально. Ряд заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера или ревматоидный артрит, часто начинаются с ранней, бессимптомной фазы. У таких пациентов, не имеющих симптомов, может быть различная вероятность развития заболевания. В этих случаях биомаркеры помогают надежно и своевременно выявлять людей с высоким риском, чтобы их можно было лечить до появления симптомов или как можно скорее после их возникновения. Для использования биомаркера в диагностике материал для анализа должен быть максимально легкодоступным. Это может быть образец крови, взятый врачом, образец мочи или слюны, или капля крови, которую пациенты с диабетом берут из кончика пальца для регулярного мониторинга уровня глюкозы. Для быстрого начала лечения критически важна скорость получения результата анализа биомаркеров. Оптимальным является экспресс-тест, дающий результат всего за несколько минут. Это позволяет врачу обсудить с пациентом дальнейшие действия и, при необходимости, начать лечение сразу после получения результатов. Естественно, метод определения биомаркера должен быть точным и максимально простым в исполнении. Результаты, полученные в разных лабораториях, не должны существенно различаться, и биомаркер должен подтвердить свою эффективность в диагностике, прогнозировании и оценке риска заболеваний в независимых исследованиях. Для клинического применения биомаркеру необходимы высокая чувствительность и специфичность, например, ≥0,9, хотя при выборе этих показателей следует учитывать особенности популяции, поэтому более важными являются прогностическая ценность положительного результата и прогностическая ценность отрицательного результата.
Классификация и применение биомаркеров
Биомаркеры могут быть классифицированы по различным критериям. В зависимости от их характеристик они могут быть классифицированы как визуализирующие биомаркеры (КТ, ПЭТ, МРТ) или молекулярные биомаркеры, включающие три подтипа: летучие, такие как биомаркеры выдыхаемого воздуха, жидкостей организма или биопсии. Молекулярные биомаркеры – это не визуализирующие биомаркеры, обладающие биофизическими свойствами, позволяющими их измерение в биологических образцах (например, плазме, сыворотке, спинномозговой жидкости, бронхоальвеолярном лаваже, биопсии) и включающие биомаркеры на основе нуклеиновых кислот, такие как мутации генов или полиморфизмы, и количественный анализ экспрессии генов, пептиды, белки, липидные метаболиты и другие малые молекулы. Биомаркеры также могут быть классифицированы в зависимости от области их применения, например, диагностические биомаркеры (например, сердечный тропонин для диагностики инфаркта миокарда), биомаркеры для определения стадии заболевания (например, мозговой натрийуретический пептид при застойной сердечной недостаточности), биомаркеры прогноза заболевания (онкомаркеры) и биомаркеры для мониторинга клинического ответа на терапию (HbA1c при лечении диабета). Еще одна категория биомаркеров включает те, которые используются для принятия решений на ранних этапах разработки лекарственных препаратов. Например, фармакодинамические (ФД) биомаркеры – это маркеры определенного фармакологического ответа, представляющие особый интерес при изучении оптимизации дозы.
Классы
Четыре основных класса биомаркеров — это диагностические биомаркеры, прогностические биомаркеры, предиктивные биомаркеры и фармакодинамические биомаркеры.
Диагностика
Диагностические биомаркеры предоставляют информацию, независимую от проводимого лечения, для выявления или помощи в определении наличия или отсутствия заболевания, а также статуса его подкатегории или субфенотипа. Примером может служить анализ биомаркеров в крови при травматическом повреждении головного мозга (ТПМ), который включает измерение уровней нейронной убиквитин-карбокситерминальной гидролазы L1 (UCH L1) и глиального фибриллярного кислого белка (GFAP) для диагностики наличия черепных повреждений у пациентов с умеренной или легкой степенью ТПМ, которые в иных случаях могут быть диагностированы только с помощью компьютерной томографии (КТ) головы.
Прогноз
Прогнозные биомаркеры предоставляют информацию о состоянии заболевания и прогнозе его исхода, не зависящую от проводимого лечения. Они могут выявлять людей на скрытой стадии развития болезни, позволяя своевременно начать оптимальную терапию и профилактику до ее завершения. Прогнозные биомаркеры оценивают состояние заболевания, измеряя внутренние предшественники, которые повышают или снижают вероятность его развития. Например, артериальное давление и уровень холестерина являются биомаркерами сердечно-сосудистых заболеваний.
Предсказуемость
Прогнозирующие биомаркеры измеряют эффект лекарства и показывают, проявляет ли препарат ожидаемую активность, но не предоставляют прямой информации о заболевании.
Открытие молекулярных биомаркеров
Молекулярные биомаркеры определяются как биомаркеры, которые можно выявить с помощью общепринятых и доступных платформ, таких как геномика и протеомика. Существует множество геномных и протеомных методов для поиска биомаркеров, и некоторые из недавно используемых можно найти на этой странице. Помимо геномных и протеомных платформ, наиболее часто используемыми методами для идентификации биомаркеров являются методы анализа биомаркеров, метаболомика, липидомика, гликомика и секретомика.
Клинические применения
Биомаркеры могут быть классифицированы по их клиническому применению на молекулярные, клеточные или биомаркеры, полученные с помощью визуализации.
Молекулярный
Четыре основных типа молекулярных биомаркеров — геномные, транскриптомные, протеомные и метаболические биомаркеры.
Геном
Геномные биомаркеры анализируют ДНК, выявляя нерегулярные последовательности в геноме, как правило, однонуклеотидный полиморфизм. Генетические биомаркеры особенно важны в онкологии, поскольку большинство раковых клеточных линий содержат соматические мутации. Соматические мутации отличаются от наследственных тем, что мутация присутствует не во всех клетках, а только в опухолевых, что делает их удобными мишенями для терапии.
Транскриптомическая
Транскриптомные биомаркеры анализируют все молекулы РНК, а не только экзом. Транскриптомные биомаркеры определяют молекулярную идентичность и концентрацию РНК в конкретной клетке или популяции клеток. Анализ паттернов экспрессии РНК обеспечивает более высокую диагностическую и прогностическую ценность при прогнозировании реакции на терапию у пациентов. Например, у пациентов с раком молочной железы различные подтипы РНК связаны с разными показателями выживаемости.
Протеомическая
Протеомика позволяет проводить количественный анализ и выявлять изменения в белках или белковых биомаркерах. Белковые биомаркеры обнаруживают разнообразные биологические изменения, такие как белок-белковые взаимодействия, посттрансляционные модификации и иммунологические ответы.
Сотовые
Клеточные биомаркеры позволяют изолировать, сортировать, количественно определять и характеризовать клетки по их морфологии и физиологии. Клеточные биомаркеры используются как в клинической практике, так и в лабораторных исследованиях, и способны различать большие популяции клеток на основе их антигенов. Одним из примеров метода сортировки клеток с использованием биомаркеров является проточная цитометрия.
Биомаркеры белков на основе крови
Биомаркеры белков, определяемые в крови, часто используются в качестве диагностических тестов, обычно отслеживающих один или несколько белков, указывающих на наличие заболевания или расстройства, либо на наличие подтипа заболевания/расстройства. Такой тест на основе белковых биомаркеров крови также может использоваться для прогнозирования исхода заболевания. Например, нейронная Ubiquitin carboxy terminal hydrolase L1 (UCH L1) и глиальный фибриллярный кислотный белок (GFAP) могут помочь в диагностике наличия внутричерепного повреждения у пациентов с травматическими повреждениями мозга средней и легкой степени тяжести, которое в противном случае можно диагностировать только с помощью компьютерной томографии головы.
Биомаркеры визуализации
Образные биомаркеры обеспечивают более раннее выявление заболеваний по сравнению с молекулярными биомаркерами и упрощают трансляционные исследования в сфере разработки лекарственных препаратов. Например, можно определить процент рецепторов, с которыми связывается лекарственное средство, что позволяет сократить время и затраты на исследования на этапе разработки нового препарата. Образные биомаркеры также неинвазивны, что является клиническим преимуществом перед молекулярными биомаркерами. К образным биомаркерам относятся рентгенография, компьютерная томография (КТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). В настоящее время разрабатывается множество новых биомаркеров, использующих технологии визуализации. Образные биомаркеры обладают рядом преимуществ: они обычно неинвазивны и предоставляют интуитивно понятные многомерные результаты. Обеспечивая как качественные, так и количественные данные, они, как правило, достаточно комфортны для пациентов. В сочетании с другими источниками информации они могут быть очень полезны врачам при постановке диагноза. Кардиальная визуализация является активной областью исследований биомаркеров. Коронарная ангиография, инвазивная процедура, требующая катетеризации, долгое время считалась золотым стандартом диагностики стеноза артерий, однако ученые и врачи надеются разработать неинвазивные методы. Многие полагают, что компьютерная томография сердца (КТ) обладает большим потенциалом в этой области, но исследователи все еще пытаются решить проблемы, связанные с "эффектом расцвета кальция" – явлением, при котором отложения кальция ухудшают разрешение изображения. Также исследуются другие методы интраваскулярной визуализации, включающие магнитно-резонансную томографию (МРТ), оптическую когерентную томографию (ОКТ) и ближнюю инфракрасную спектроскопию. Еще одним новым образным биомаркером является радиоактивно меченная флюородезоксиглюкоза. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) может использоваться для измерения того, где клетки организма поглощают глюкозу. Отслеживая поглощение глюкозы, врачи могут выявлять очаги воспаления, поскольку макрофаги в этих областях активно поглощают глюкозу. Опухоли также потребляют много глюкозы, поэтому данный метод визуализации можно использовать и для их мониторинга. Отслеживание радиоактивно меченной глюкозы – перспективный метод, поскольку он непосредственно измеряет стадию, которая, как известно, играет решающую роль в воспалении и росте опухоли.
Обработка биомаркеров заболевания с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ)
МРТ обладает преимуществами очень высокого пространственного разрешения и прекрасно подходит для морфологической и функциональной визуализации. Однако у МРТ есть и несколько недостатков. Во-первых, чувствительность МРТ составляет примерно от 10−3 моль/л до 10−5 моль/л, что, по сравнению с другими методами визуализации, может быть серьезным ограничением. Эта проблема обусловлена очень небольшой разницей между атомами в высокоэнергетическом и низкоэнергетическом состояниях. Например, при 1,5 Тесла, типичной напряженности поля для клинической МРТ, разница между высоко- и низкоэнергетическими состояниями составляет приблизительно 9 молекул на 2 миллиона. Методы повышения чувствительности МРТ включают увеличение напряженности магнитного поля и гиперполяризацию посредством оптической накачки или динамической ядерной поляризации. Также существует ряд схем усиления сигнала, основанных на химическом обмене, которые повышают чувствительность. Для достижения молекулярной визуализации биомаркеров заболеваний с помощью МРТ необходимы целевые контрастные вещества для МРТ с высокой специфичностью и высокой релаксивностью (чувствительностью). На сегодняшний день множество исследований посвящено разработке целевых контрастных веществ для МРТ с целью получения молекулярных изображений. Как правило, для обеспечения таргетирования используются пептиды, антитела или небольшие лиганды, а также небольшие белковые домены, такие как аффибоды HER2. Для повышения чувствительности контрастных веществ эти таргетирующие группы обычно связывают с контрастными веществами МРТ с высокой нагрузкой или с контрастными веществами МРТ с высокой релаксивностью.
Эмбриональный
Эмбриональные биомаркеры крайне важны для развития плода, поскольку именно благодаря биомаркерам определяется роль каждой клетки. Проводятся исследования, посвященные использованию эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) в регенеративной медицине. Это обусловлено тем, что определенные биомаркеры внутри клетки могут быть модифицированы (вероятно, на третичной стадии их формирования), чтобы изменить ее будущую функцию и, таким образом, создавать новые клетки. Примером эмбрионального биомаркера является белок Oct 4.
Аутизм
Расстройства аутистического спектра (РАС) сложны; аутизм – это медицинское состояние с множеством этиологий, возникающее в результате взаимодействия факторов окружающей среды и генетической предрасположенности. Сложность в поиске биомаркеров, связанных с РАС, заключается в том, что они могут отражать генетические или нейробиологические изменения, активные лишь на определенном этапе. РАС характеризуются разнородными клиническими проявлениями и генетической архитектурой, что затрудняет выявление общих генетических факторов восприимчивости. Тем не менее, проводятся многочисленные исследования, направленные на выяснение основных причин генетической гетерогенности.
Рак
Биомаркеры рака обладают огромным потенциалом для терапевтических вмешательств при лечении онкологических заболеваний. Большинство биомаркеров рака состоят из белков или измененных фрагментов ДНК и экспрессируются во всех клетках, но в более высокой концентрации в раковых клетках. На сегодняшний день не существует единого универсального опухолевого биомаркера, однако для каждого типа рака известен свой биомаркер. Эти биомаркеры используются для мониторинга состояния опухоли, но не могут служить единственным средством диагностики конкретных видов рака. Примерами опухолевых маркеров, применяемых для контроля эффективности лечения рака, являются карциноэмбриональный антиген (CEA) при колоректальном раке и простатспецифический антиген (PSA) при раке предстательной железы. В 2014 году исследования в области рака выявили циркулирующие опухолевые клетки (CTC) и циркулирующую опухолевую ДНК (ctDNA) как биомаркеры, связанные с метастазированием, обладающие уникальной клеточной дифференциацией и прогностической ценностью. Для полного раскрытия возможностей CTC и ctDNA необходимы инновационные технологии, однако понимание их роли может привести к новому взгляду на эволюцию, инвазию и метастазирование рака.
Травматическая травма мозга
Травматическое повреждение головного мозга – это серьезное неврологическое расстройство, возникающее при повреждении мозга травматической силой, такой как прямое тупое воздействие или ударная волна взрыва. При нарушениях центральной нервной системы, Ubiquitin carboxy terminal hydrolase L1 (UCH L1) и Glial fibrillary acidic protein (GFAP), локализованные в телах нейронов, являются первыми в своем классе биомаркерными тестами на основе анализа крови, одобренными FDA для диагностики легкой травматической травмы головного мозга (ТТГМ) с потенциальными поражениями головного мозга. Эти тандемные биомаркеры были впервые обнаружены лабораториями нейробиологии доктора Кевина К. Ванга и доктора Рональда Л. Хейса в Институте мозга Макнайта Университета Флориды в период с 2003 по 2007 год. В данном случае, тест на биомаркеры ТТГМ на основе анализа крови заключался в измерении уровней нейронного (UCH L1) и астроглиального GFAP для помощи в диагностике наличия черепных повреждений у пациентов с умеренной или легкой ТТГМ, которые в противном случае могут быть диагностированы только с помощью компьютерной томографии (КТ) головы. В исследование было включено более 1900 взрослых пациентов с ТТГМ и оценкой по шкале комы Глазго (GCS) от 9 до 15 (легкая ТТГМ), у которых образцы крови были взяты в течение 12 часов после травмы, чтобы определить, может ли тандемный тест UCH L1/GFAP помочь в диагностике наличия черепного повреждения, которое в противном случае можно диагностировать только с помощью КТ головы. Результаты исследования показали высокую чувствительность теста (97,6%) и отрицательное прогностическое значение (NPV) (99,6%). В феврале 2018 года FDA одобрило использование данного теста (BTI) для диагностики легкой ТТГМ.
Потенциальные недостатки
Не все биомаркеры следует использовать в качестве суррогатных конечных точек для оценки клинических исходов. Биомаркеры могут быть сложны в валидации и требуют различной степени валидации в зависимости от предполагаемого назначения. Если биомаркер предназначен для измерения эффективности терапевтического вмешательства, он должен отражать непосредственное воздействие этого лекарственного препарата.