Science:克服個性化醫學一大障礙的新工具
日期:2016-06-13 08:50:07
最近,來自瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)和蘇黎世聯邦理工學院(ETHZ)的科學家們,開發出了一種強大的工具,用于探索和確定個體之間固有的生物學差異,從而克服了個性化醫學的一個主要障礙。
成功治療代謝疾病(例如糖尿病、肥胖、脂肪肝等等)的一個最大障礙在于,患者對治療藥物的反應有所差異。這種差異的關鍵在于個體之間固有的生物學差異,不能全部從遺傳學角度進行解釋。同時,這種差異使得科學家們很難開發出某些疾病的標準療法。在這項開創性的研究中,EPFL和ETHZ的科學家們開發出了一種策略,可以定義和解釋個體之間的代謝差異,從而本質上為精密醫學鋪平了道路。這項研究也強調了以動物為基礎的藥物研究中的重大問題,相關結果發表在國際著名學術期刊《Science》。
我們越來越意識到,當醫學干預措施是根據個體患者的遺傳背景而定制的時候,那么成功的機率就更高。問題在于,定義患者的遺傳背景是極其困難的,因為它涉及到個人的基因組信息、蛋白質、脂肪和構成其組織和身體的其他各種生物學層面。到目前為止,我們唯一認真考慮的差異是,基因之間的差異。
這是EPFL的Johan Auwerx實驗室和ETH的Ruedi Aebersold實驗室在這項研究中著手解決的問題。在對40個不同小鼠品系進行研究之后,研究人員成功地將個體基因組之間的差異,與它們蛋白質組(全套蛋白質)之間的差異聯系起來。通過這種方式,他們在分析一個特定個體的生物學方面,取得了一個巨大的飛躍。
Johan Auwerx的實驗室進行了這項工作的基因組部分,他說:“患者的基因組和他們的疾病之間,有一個‘黑盒子’。我們所做的就是,找到一種方法,通過獲得患者蛋白質組的信息,來填補這個‘黑盒子’。”
本文共同第一作者Yibo Wu表示:“比起整個基因組測序,測量整套蛋白質,是更加復雜的。”科學家們使用來自小鼠的蛋白質數據——利用Aebersold集團開發的一種新的質譜技術,稱為SWATH-MS。這種技術將高通量質譜分析法的優點與高重現性和一致性結合起來。簡而言之,它能夠在數以百計的樣品中識別成千上萬個不同的蛋白質,而且比傳統技術更迅速、更準確,從而可讓研究人員小鼠中在測量廣泛濃度的肝臟蛋白質。
研究人員測量了來自40個小鼠品系的組織樣品中的總共2600種不同的蛋白質,這些小鼠都來自相同的兩個祖先,這意味著它們有親緣關系。Auwerx說:“我們想保持遺傳學簡單,為了觀察環境(飲食)對蛋白質組、其他生物學層面及其疾病易感性的影響有何差異。”
這些小鼠被分成幾組,代表40個品系的每一個,研究人員給小鼠喂以高脂肪食物——本質上是垃圾食品,或者健康的低脂肪飲食。在幾個星期后,科學家們記錄了小鼠的生理數據,并檢測了它們進食垃圾食品后多快可以增重,以及通過鍛煉多快可以減肥。盡管它們有相似的遺傳組成,但是進食高脂肪食物的小鼠對飲食和鍛煉的反應有所不同。例如,一些小鼠發展出了脂肪肝等代謝障礙,而其他的小鼠則沒有。
然后,研究人員將生理學數據與來自基因組、蛋白質組,及其轉錄組(也就是它們全套的RNA——黑盒子中的另一個黑盒子)的數據結合起來。通過這種組合,科學家們就能夠更好地理解“當代謝脂肪和產生能量時,一些蛋白質發揮了什么作用”。
Ruedi Aebersold說:“就像這項研究中的小鼠品系一樣,每一個患者從遺傳學上來說是不同的。我們在小鼠隊列中使用的方法,可以一對一地應用在人類疾病研究中,尤其是個性化醫療。”現在,隨著該團隊的研究人員已經為成千上萬的人類蛋白質產生了一個相應的數據庫,SWATH-MS方法已經準備用于人類群組研究。
Auwerx說:“我們的目的是,能夠根據每名患者的生物學構成——‘黑盒子’,為他們定制個性化的醫療干預。”在這方面,他的研究小組現在正在研究特定的藥物,可以更有效地被這種方法使用,來治療代謝紊亂。
去年年初,美國總統奧巴馬推出“精準醫學計劃”,提議在2016財年向該計劃投入2.15億美元,以推動個性化醫療的發展。相關閱讀:奧巴馬推出“精確醫學計劃” 推動發展個性化醫療。
相繼有研究助力個性化醫學的發展。2014年底,密歇根大學(U-M)研究人員發表了一項新研究,可使我們更深入了解癌癥,并對疾病進行更好的早期治療。在這項研究中,他們發明了一種可靠的方法,可在體外培養患者來源的某類癌細胞用于研究。相關研究結果發表在最近的《Oncotarget》雜志。
2015年5月,美國科羅拉多大學研究人員開發出一種新的小鼠模型,使我們能夠更緊密地再現人類腫瘤的復雜微環境,從而更進一步地接近于個性化癌癥治療。相關研究結果發表在最近的《Oncogene》雜志。