Молекулярный стетоскоп и обучение машин
Как мы видели, классический стетоскоп весьма ограничен с точки зрения сбора данных. Но считалось, что он видит человека насквозь и он незаменим при медосмотре и проверке здоровья человека. На самом деле он ничего не видел, но по крайней мере давал возможность слышать звуки внутри тела и на протяжении 200 лет формировал медицинскую практику.
Мы находимся на интересном этапе, когда действительно заглядываем внутрь человеческого тела и получаем удивительную информацию, которую сложно интерпретировать или ее слишком много. Например, когда беременная женщина проходит неинвазивный тест для беременных, чтобы определить, нет ли у плода хромосомных аномалий, таких, например, как синдром Дауна, то проба крови содержит и ее ДНК, и ДНК ребенка. К настоящему времени зарегистрировано немало случаев обнаружения опухолевой ДНК, и дальнейшие исследования этих беременных женщин подтвердили, что у них рак. Таким образом, простой анализ крови для выяснения информации о плоде приводит к неожиданным, серьезным молекулярным открытиям о матери. Но это лишь верхушка айсберга, потому что по мере нашего продвижения вперед очень вероятно, что анализы крови на бесклеточные ДНК и РНК, которые циркулируют у нас в крови, станут обычным лабораторным исследованием – молекулярным стетоскопом. Мы и в самом деле будем видеть организм изнутри, чего не могли никогда раньше. Когда это произойдет, окажется, что очень многие люди имеют опухолевую ДНК. Но есть ли у них рак?
Вполне может быть, что нормальный процесс старения и функции по наведению порядка в здоровом теле предполагают развитие мутаций в некоторых клетках тут и там, что в конечном счете может привести к раку. Но есть защитные механизмы, как, например, иммунная система, которые видят это ограниченное число аномальных клеток и останавливают процесс, не позволяя ему идти дальше. Тем не менее аномальная «неопухолевая» ДНК проявляется в крови. На самом деле мы не знаем, что с этим делать. Это может привести к очень обширным и дорогим обследованиям, чтобы определить, есть ли на самом у человека рак и где находится опухоль. Или же мы можем обратиться к обучению машин, чтобы понять проблему. Если у представителей одной и той же крупной когорты в разные моменты времени брать пробы, связанные с различными омиками, включая ДНК и РНК, это, вероятно, могло бы помочь разгадать загадку. После углубленного изучения мы в конце концов могли бы сказать любому пациенту, что эта опухолевая ДНК безобидна и означает, что здоровое тело выполняет свою работу, или что она представляет раннее выявление реального заболевания. Кто-то может задаться вопросом, зачем нам нужна такая сверхбдительность. Дело в том, что возможность обнаруживать рак задолго до того, как его можно увидеть на сканограмме или проявятся симптомы, по всей видимости, оптимальный выход. Особенно если будет показано, что обнаружение рака на таком раннем этапе проводит к отличным результатам.
Это всего один пример из многих вариантов применения молекулярного стетоскопа. Если у человека трансплантирован орган, то всегда остается риск отторжения, и это осложнение очень трудно обнаружить, обычно требуется биопсия. Но мы не хотим делать биопсию человеку, который отлично себя чувствует, хотя знаем, что отторжение гораздо легче лечить, когда процесс находится на ранней стадии. Недавние исследования показали, что если просто проверить, нет ли в его крови признаков ДНК донорского органа, то это может быть лучшим способом отслеживать процесс отторжения. Однако, как и в случае опухолевой ДНК, что означает наличие в крови незначительного количества донорской ДНК? Чтобы выяснить, что означает этот сигнал, мы вновь обращаемся к обучению машин: ведь нужно собрать как можно больше информации об огромном числе пациентов, которым были имплантированы самые разные органы. И предполагаемый ответ в каждый конкретный момент должен рассматриваться с учетом обновлений по мере добавления новой информации.
Похоже, что наиболее перспективным компонентом молекулярного стетоскопа является бесклеточная РНК, которая может быть потенциально использована для мониторинга любого органа82. Ранее это было немыслимо у здорового человека. Можно ли было вообразить проведение биопсии мозга или печени у человека в ходе обычного медосмотра? Используя высокопроизводительное секвенирование бесклеточной РНК в крови и сложные биоинформативные методы анализа этих данных, Стивен Квейк и его коллеги из Стэнфордского университета показали, что возможно проследить экспрессию генов каждого органа по простой пробе крови. И это постоянно меняется в каждом из нас. Это идеальный случай для глубинного обучения, чтобы определить, что означают эти динамические геномные сигнатуры, выяснить, что можно сделать для изменения естественного хода развития болезни, которая только зарождается, и разработать пути предотвращения. Более того, кроме анализа крови, который можно рассматривать время от времени, этот молекулярный стетоскоп потенциально может быть превращен во вживляемый датчик. Но пока еще неясно, приведет ли к успеху или окажется бессмысленной эта многообещающая перспектива молекулярных операций в теле, как и большинство из 150 000 биомаркеров, которые ведут в никуда74. Едва ли нужно напоминать, насколько сложна человеческая биология и что понимание всех взаимосвязанных взаимодействий – системная медицина – в случае каждого отдельного человека, вероятно, окажется крепким орешком.
Есть стратегии, которые представляют собой новые средства предотвращения серьезных заболеваний, и их еще предстоит подтвердить. Нетрудно вообразить, как невероятное количество генерируемых пациентами данных идет в смартфоны, подсоединенные к искусственному интеллекту, и обрабатывается им. А когда мы сможем использовать такую систему регистрации данных и предиктивную аналитику – как на индивидуальном уровне, так и на популяционном, – по мере превращения медицины в науку о данных мы и сами, возможно, начнем казаться довольно умными.
