Возможности технологии обсудил Жюльен Вист (Julien Wist), специалист по вычислительной спектроскопии и молекулярному фенотипированию. Исходный материал представляет собой спонсируемое интервью с участием производителя лабораторного оборудования, а не рецензируемую научную статью.
Описанная в нём платформа предназначена для исследовательского применения и не зарегистрирована как средство клинической диагностики. Поэтому заявления о быстром выявлении инфекции следует рассматривать как направление разработки, а не как доступный медицинский тест.
Что такое метаболомика
Метаболомика изучает метаболиты — небольшие молекулы, которые образуются или расходуются в ходе обмена веществ. К ним относятся аминокислоты, органические кислоты, сахара, жиры и продукты их переработки.
Совокупность метаболитов в определённом образце называют метаболическим профилем. Он может меняться при инфекции, воспалении, нарушении работы печени или почек, приёме лекарств, физических нагрузках и изменениях питания.
В отличие от генома, который на протяжении жизни остаётся относительно стабильным, метаболический профиль быстро реагирует на состояние организма. Теоретически это позволяет обнаруживать заболевание ещё до появления выраженных симптомов.
Но такая чувствительность одновременно создаёт проблему: похожие изменения могут возникать по множеству разных причин. Поэтому обнаружить отклонение обычно проще, чем точно определить вызвавшее его заболевание.
Как работает ядерный магнитный резонанс
Для измерения метаболитов предлагается использовать спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Образец помещают в сильное магнитное поле и воздействуют на него радиочастотными импульсами. Ядра некоторых атомов поглощают и возвращают энергию по-разному в зависимости от окружающих их молекул.
Прибор регистрирует эти сигналы и формирует спектр — набор пиков, соответствующих разным химическим соединениям. По положению и интенсивности пиков можно определить состав образца и приблизительное или абсолютное содержание отдельных веществ.
Метод не следует путать с магнитно-резонансной томографией. Физический принцип у технологий сходный, но спектроскопия исследует химический состав биологического образца, а томография создаёт изображения органов и тканей.
Ионизирующее излучение при ЯМР не используется.
Что инфекция меняет в обмене веществ
При вирусной инфекции организм перестраивает обмен веществ сразу на нескольких уровнях.
Клетки включают противовирусные программы, иммунная система производит сигнальные молекулы, печень меняет синтез белков, а ткани начинают иначе расходовать жиры, глюкозу и аминокислоты. Одновременно могут изменяться температура тела, аппетит, водный баланс и работа почек.
Часть образующихся метаболитов попадает в кровь, а затем выводится с мочой. По мнению Жюльена Виста (Julien Wist), некоторые вещества, связанные с ранним противовирусным ответом, потенциально могут служить признаками активной инфекции.
Моча особенно привлекательна для массового обследования. Её можно получать без укола, относительно часто и с меньшими затратами, чем кровь.
Однако метаболиты в моче зависят от количества выпитой жидкости, питания, лекарств, физической активности, времени суток и функции почек. Без строгой стандартизации эти различия способны исказить результат.
Чем метаболический тест отличался бы от ПЦР
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) ищет генетический материал конкретного возбудителя. Для её проведения необходимо заранее знать, какую вирусную последовательность следует обнаруживать.
Метаболомика оценивает реакцию организма. Теоретически она может показать, что активировался определённый тип противовирусной защиты, даже если точный возбудитель ещё не установлен.
Эти методы отвечают на разные вопросы:
- ПЦР показывает, присутствует ли в образце генетический материал определённого вируса;
- секвенирование помогает прочитать геном возбудителя и определить его вариант;
- метаболомика отражает изменения обмена веществ в организме;
- стандартные анализы оценивают отдельные показатели, например содержание С-реактивного белка, ферментов печени или клеток крови.
Метаболический профиль не должен автоматически заменять ПЦР. Более реалистичным представляется двухэтапный подход: быстрый предварительный анализ выделяет людей с признаками активной инфекции, после чего диагноз подтверждают специфическим лабораторным методом.
Насколько возможен тест за несколько минут
В интервью обсуждается возможность использовать ЯМР-анализ для быстрого обследования в больницах, транспортных узлах или карантинных пунктах.
Само измерение подготовленного образца действительно может быть относительно быстрым. Но полное время до результата включает сбор, маркировку и подготовку материала, настройку прибора, контроль качества и компьютерную обработку.
Для клинического применения также требуется заранее созданная модель, способная отнести спектр к определённой диагностической категории.
Скорость будет иметь значение только при достаточной точности. Ошибочно положительный результат может привести к ненужной изоляции и дополнительным обследованиям. Ошибочно отрицательный позволит заражённому человеку продолжать распространять инфекцию.
Поэтому перед применением в аэропортах или отделениях неотложной помощи необходимо проверить метод в условиях, максимально приближённых к реальным.
Какие уроки дал COVID-19
Исследование метаболических профилей во время пандемии показало, что коронавирусная инфекция 2019 года не ограничивается дыхательными путями.
У пациентов выявляли изменения, связанные с воспалением, свёртыванием крови, обменом липидов, работой печени и другими системными процессами. Это соответствовало клиническим наблюдениям: инфекция могла затрагивать сосуды, сердце, нервную систему и органы пищеварения.
Такие данные помогли рассматривать COVID-19 как заболевание всего организма, а не только как вирусную пневмонию.
Метаболические нарушения также обнаруживали у некоторых людей после острой инфекции. Но нельзя утверждать, что метаболомика сама по себе заранее предсказала постковидный синдром. Для этого необходимы исследования, в которых образцы получают до появления длительных симптомов и затем прослеживают состояние участников.
Почему ЯМР считают подходящим для крупных сетей
Одно из возможных преимуществ ЯМР — высокая воспроизводимость при использовании одинакового оборудования, протоколов и калибровки.
Образец обычно не разрушается полностью, поэтому после измерения его можно использовать для дополнительных исследований. Подготовка также может быть проще, чем при некоторых вариантах масс-спектрометрии.
Масс-спектрометрия — другой важный метод анализа метаболитов. Она разделяет и определяет молекулы по отношению их массы к электрическому заряду. Обычно масс-спектрометрия чувствительнее ЯМР и способна обнаруживать вещества в меньшей концентрации.
Но результаты разных лабораторий могут сильнее зависеть от способа подготовки образцов, разделения веществ и настройки оборудования.
ЯМР обычно менее чувствителен, зато может обеспечить устойчивое количественное измерение относительно распространённых метаболитов. Для предварительной сортировки пациентов высокая воспроизводимость иногда важнее способности находить следовые количества редких соединений.
Методы не обязательно конкурируют. ЯМР можно применять для стандартизированного первичного анализа, а масс-спектрометрию — для более глубокого изучения отобранных образцов.
Что означает электронная калибровка
В интервью одним из важных технических преимуществ назвали электронную калибровку, позволяющую проводить абсолютное количественное измерение.
При таком подходе прибор создаёт эталонный электронный сигнал с известными свойствами. Интенсивность сигналов исследуемых метаболитов сравнивают с этим ориентиром.
Это позволяет рассчитывать концентрацию веществ без добавления отдельного химического стандарта непосредственно в каждый образец. Метод также уменьшает риск того, что стандарт изменит состав материала.
Но калибровка прибора решает только часть проблемы. На результат всё равно влияют условия сбора, хранения, замораживания и размораживания образца.
Почему единый протокол особенно важен
Для эпидемиологического наблюдения данные должны быть сопоставимы между больницами и странами.
Если одна лаборатория исследует утреннюю мочу, другая — случайный образец после еды, а третья хранит материал несколько дней при другой температуре, различия могут отражать не инфекцию, а условия работы.
Стандартизация должна включать:
- время и способ сбора материала;
- тип контейнера;
- условия перевозки и хранения;
- допустимое число циклов замораживания;
- подготовку образца;
- настройки спектрометра;
- контрольные материалы;
- правила компьютерной обработки;
- критерии признания результата пригодным.
Не менее важны качественные медицинские данные. Алгоритм нельзя надёжно обучить, если диагнозы, сроки появления симптомов и сведения о сопутствующих заболеваниях записаны неполно или неодинаково.
Может ли один профиль выявлять разные вирусы
Это один из главных нерешённых вопросов.
Общий противовирусный ответ может вызывать сходные изменения при гриппе, коронавирусной инфекции, респираторно-синцитиальной вирусной инфекции и других заболеваниях.
С практической точки зрения такой общий сигнал может быть полезен для первичной сортировки: он указывает, что человек, вероятно, переносит активную вирусную инфекцию.
Но для выбора лечения обычно требуется знать конкретного возбудителя. Кроме того, необходимо отличать вирусный процесс от бактериальной инфекции, аутоиммунного воспаления, травмы или обострения хронической болезни.
Будущие исследования должны установить:
- какие вирусы вызывают предполагаемый метаболический профиль;
- на каком сроке после заражения он появляется;
- как быстро исчезает после подавления вируса;
- зависит ли он от возраста и тяжести заболевания;
- возникает ли при бессимптомной инфекции;
- насколько часто его имитируют другие состояния.
Без этих данных невозможно определить, будет ли тест пригоден для клинического решения.
Отрицательный результат после выздоровления
Для скринингового теста важно не только быстро становиться положительным, но и своевременно возвращаться к отрицательному результату.
По словам Жюльена Виста (Julien Wist), некоторые предполагаемые противовирусные метаболиты быстро выводятся из организма. Поэтому после снижения вирусной нагрузки профиль может нормализоваться за относительно короткое время.
Теоретически это позволило бы оценивать текущую активность процесса, а не следы перенесённой инфекции, которые могут сохраняться после выздоровления.
Но такую возможность необходимо сопоставить с прямым измерением вирусной нагрузки и способностью человека заражать окружающих. Исчезновение метаболического сигнала само по себе ещё не доказывает прекращения выделения вируса.
Какие исследования необходимы
Первым этапом должна стать проверка на больших группах людей с лабораторно подтверждёнными диагнозами.
В исследование следует включать пациентов:
- с разными вирусными инфекциями;
- с бактериальными заболеваниями;
- с неинфекционным воспалением;
- с хроническими болезнями печени и почек;
- принимающих разные лекарства;
- без симптомов и признаков инфекции.
Образцы нужно собирать до лечения и неоднократно в ходе заболевания. Это позволит определить, как меняется профиль от ранней стадии до выздоровления.
Затем алгоритм следует проверить на независимой группе, не использовавшейся при его создании. Особенно важно проводить испытания в разных странах и лабораториях.
После аналитической проверки потребуется оценить клиническую пользу: меняет ли тест решения врачей, сокращает ли время изоляции, уменьшает ли распространение инфекции и оправдывает ли затраты.
Большие базы образцов могут ускорить разработку
Международные исследовательские сети планируют создавать крупные коллекции молекулярных профилей. Чем больше качественно описанных образцов, тем легче находить устойчивые сочетания метаболитов и проверять, сохраняются ли они в разных группах населения.
Однако объём данных не заменяет их качества. Миллион плохо описанных образцов может оказаться менее полезным, чем значительно меньшая коллекция с точными диагнозами, сроками заболевания и сведениями о лечении.
Кроме того, метаболический профиль потенциально содержит информацию не только об инфекции, но и о хронических заболеваниях, питании и образе жизни. Поэтому сбор и совместное использование таких данных требуют защиты конфиденциальности и ясного информированного согласия.
Подход, объединяющий метаболиты, клинические сведения и другие молекулярные данные, уже изучается при хронических состояниях. Например, ранее исследователи использовали метаболомику, данные о микробиоме и иммунные показатели для поиска скрытых нарушений при синдроме хронической усталости.
Что важно учитывать пациентам
Метаболомика на основе ЯМР пока не является стандартным способом диагностики вирусных инфекций. Она не заменяет назначенные врачом анализы, включая ПЦР, исследование на антигены или бактериологические методы.
Появление исследовательского прибора непосредственно в больничном отделении также не означает, что технология прошла клиническую регистрацию.
Главная ценность обсуждаемого подхода пока заключается в научной возможности: один быстрый анализ может одновременно измерять множество продуктов обмена и показывать общую реакцию организма.
Станет ли такой профиль достаточно точным для аэропортов, больниц или систем эпидемиологического наблюдения, можно будет судить только после независимых и проспективных испытаний.
Литература
Wist J. Interview // News-Medical. – Sponsored content.