Медицинская генетика и стволовые клетки

Спикер: С. Цыганкова Тема: «Медицинская генетика и стволовые клетки» Медицинская генетика – наука, которая изучает явления наследственности и изменчивости в различных популяциях людей, особенности проявления и развития нормальных и патологических признаков, зависимость заболеваний от генетической предрасположенности и условий окружающей среды Наследственность – свойство организма получать от родителей и передавать потомкам совокупность признаков. Изменчивость - свойство организма приобретать в течение жизни новые признаки, которых не было у родителей. Задачи медицинской генетики:  Диагностика наследственных заболеваний  Анализ их распространенности в различных популяциях и этнических группах  Изучение молекулярно-генетических основ этиологии и патогенеза наследственных заболеваний  Выявление наследственных факторов риска многофакторных заболеваний  Разработка методов ранней диагностики наследственных заболеваний  Разработка методов превентивного дородового лечения.  Изучение вопросов генной инженерии, разрабатывающей методы лечения наследственных болезней путем переноса генов нормального метаболизма в ДНК больного. По характеру отклонений от нормального развития выделяют: 1. Наследственные болезни - развитие этих заболеваний целиком обусловлено дефектами наследственной программы. Роль среды заключается лишь в модифицировании фенотипических проявлений болезни. Наследственные болезни всегда связаны с мутацией. 2. Мультифакториальные заболевания, или болезни с наследственной предрасположенностью. К ним относится большая группа распространенных заболеваний. Причиной их развития выступают неблагоприятные воздействия среды. Однако реализация этих воздействий зависит от генетической наследственности, определяющей предрасположенность организма. Сюда относят такие болезни, как гипертоническая болезнь, ишемическая болезнь сердца, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, шизофрения, онкологические заболевания. 3. Патологии, обусловленные исключительно воздействием факторов среды. Таких форм немного, и они обусловлены исключительными воздействиями —травмой, ожогом, обморожением, особо опасной инфекцией. Но и при этих формах патологии течение и исход заболевания в значительной степени определяются генетическими факторами. Наследственные заболевания. Наследственные заболевания - болезни, обусловленные нарушениями в процессах хранения, передачи и реализации генетической информации. В основе наследственных заболеваний лежат нарушения (мутации) наследственной информации — хромосомные, генные и митохондриальные. Отсюда — классификация наследственных заболеваний. От наследственных заболеваний следует отличать врождённые заболевания, которые обусловлены внутриутробными повреждениями, вызванными, например, инфекцией (сифилис или токсоплазмоз) или воздействием иных повреждающих факторов на плод во время беременности. Моногенные заболевания – поражение генетического материала на уровне ДНК, в результате чего повреждается только один ген. Хромосомные болезни – обусловлены количественными и структурными аномалиями хромосом Митохондриальные – мутации в генах, кодирующих митохондрии Мультифакторные – заболевание возникает в результате наследования «слабого звена» в генетической конституции и под влиянием факторов риска формируется патологический фенотип. Эпигенитические – нарушение регуляции работы генов без изменения структуры ДНК. Многие генетически обусловленные заболевания проявляются не сразу после рождения, а спустя некоторое, порой весьма долгое, время. Так, при хорее Гентингтона дефектный ген обычно проявляет себя только на третьемчетвёртом десятилетии жизни, проявление признаков спинальной мускульной атрофии (СМА) наблюдается в возрасте от 6 месяцев до 4—50 лет (в зависимости от формы заболевания). Моногенные болезни Моногенные наследственные заболевания – это наиболее широкая группа наследственных заболеваний. В настоящее время описано более 4000 вариантов моногенных наследственных болезней, подавляющее большинство которых встречается довольно редко. Моногенные заболевания обусловлены мутациями или отсутствием отдельного гена. Мутации могут захватывать один или оба аллеля. Клинические проявления возникают в результате отсутствия генетической информации или реализации дефектной. 50-60% - мутации структурных генов 40-50% мутации регуляторных генов Описано 4000 генных болезней Для 16% ген не установлен Частота рождения детей 3-6,5% В структуре детской смертности до 5 лет составляют 10-14 % 50%случаев гибели зиготы до имплантации обусловлены генными мутациями 25% мутаций проявляются внутриутробно 45% - до полового созревания 20% -в пубертатном и юношеском возрасте 10% - старше 20лет В свою очередь моногенные болезни по типу наследования подразделяются на : - аутосомно-доминантные, - аутосомно-рецессивные, - сцепленные с полом; По фенотипическому проявлению могут быть: - ферментопатиями (болезнями обмена веществ, в т. ч. болезнями, обусловленными нарушением репарации ДНК), - болезнями, обусловленными молекулярной патологией структурных белков, - иммунопатологией, в т.ч. болезнями, вызванными нарушениями в системе комплемента; нарушениями синтеза транспортных белков (в т.ч. белков крови) и пептидных гормонов; патологией свертывающей системы крови, - дефектами механизма переноса веществ через клеточные мембраны. Моногенные болезни наследуются в полном соответствии с законами Менделя. К моногенным заболеваниям относятся: Фенилкетонурия (ФКУ) - наследственное заболевание группы ферментопатий, связанное с нарушением метаболизма фенилаланина частота встречаемости — 1:6000 - 1:11000. Заболевание наследуется по аутосомнорецессивному типу. Муковисцидоз (кистозный фиброз) Тип наследования — аутосомнорецессивный. Популяционная частота заболевания 1:2500 новорожденных. Одно из самых распространенных наследственных заболеваний. Ахондроплазия. Тип наследования аутосомно-доминантный. Популяционная частота 1:100 000. Ахондроплазия—одна из наследственных болезней костной системы. Миодистрофия Дюшенна (МД) — тяжелое наследственное заболевание, которое вызывает прогрессирующую слабость мышц. Встречается с частотой 1:3500 новорожденных мальчиков. Наследование - сцепленное с полом, рецессивное. Гемофилия А и В— тяжелое наследственное заболевания, обусловленное дефектами в генах, кодирующих факторы свертывания крови. Следующая группа – это хромосомные болезни Хромосомные болезни — это группа заболеваний, вызываемых изменениями числа (геномные мутации) или структуры (хромосомные аберрации) хромосом, видимыми в световой микроскоп. Хромосомные аномалии могут возникать в процессе эмбрионального развития при дроблении зиготы. В основе хромосомных болезней лежат синдромы, связанные с нарушением плоидности, изменением числа хромосом или нарушением их структуры. Хромосомные болезни встречаются довольно часто. Частота хромосомных болезней у живорожденных детей составляет примерно 2-4 случая на 1000 родившихся. Большинство хромосомных аномалий являются несовместимыми с жизнью. Примеры хромосомных болезней. Наиболее часто у человека встречаются трисомии по 13-й, 18-й и 21-й паре хромосом. Синдром Патау (трисомия по 13 хромосоме) встречается с частотой 1: 6000. Синдром Эдвардса (трисомия по 18 хромосоме) встречается с частотой примерно 1:1000. Синдром Дауна (трисомия по 21 хромосоме) — самая частая форма хромосомной патологии у человека: 1:900. Частичные моносомии Синдром «кошачьего крика» обусловлен: делецией короткого плеча 5-й хромосомы. Популяционная частота синдрома примерно 1:45 000. Синдром Орбели обусловлен делецией длинного плеча 13-й хромосомы. Популяционная частота синдрома не установлена. Хромосомные болезни, связанные с аномалиями числа половых хромосом Синдром Шерешевского-Тернера характеризуется структурной или количественной аномалией Х-хромосомы. Частота встречаемости синдрома 1:3000 новорожденных девочек. Синдром Клайнфельтера - это дисомия или полисомия по женской половой хромосоме, при которой у лиц мужского пола имеется не менее двух Х-хромосом и одна Y-хромосома. Болеют только мальчики. Частота встречаемости — 2 из 1000 . Мультифакториальные болезни. Для проявления таких болезней необходимо действие определенных факторов среды. Они составляют 90% хронических неинфекционных болезней различных систем и органов человека (гипертоническая болезнь, ишемическая болезнь сердца, сахарный диабет, язвенная болезнь, шизофрения, атеросклероз, глаукома, рак и др.) Например, человек может унаследовать дефектные гены, вызывающие нарушения жирового обмена, вследствие чего у него повышен риск атеросклероза и, соответственно, смерти от инфаркта миокарда или инсульта. Но хорошо известно, что носитель дефектных генов может значительно повлиять на течение болезни, изменив образ жизни или воздействуя на факторы внешней среды. Митохондриальные болезни. Особенностью митохондриальных заболеваний, обусловленных мутациями мтДНК, является материнский тип наследования (в норме митохондрии передаются только через яйцеклетку). В настоящее время выявлено более 250 точковых мутаций мтДНК, а также множество различных делеций и перестроек мтДНК. Известно более 200 заболеваний, вызванных этими мутациями. При этом мутация в одном и том же гене мтДНК у разных людей может проявляться в различной степени, вплоть до полного отсутствия клинических проявлений. В связи с этим частота встречаемости митохондриальных заболеваний составляет 1‒2:10 000 человек, хотя мутации мтДНК можно обнаружить примерно в 1:200 случаев. Величина проявления дефекта может быть большой или малой, и она может существенно изменяться, медленно нарастая во времени. Некоторые небольшие дефекты приводят лишь к неспособности пациента выдерживать физическую нагрузку, соответствующую его возрасту, и не сопровождаются серьезными болезненными проявлениями. Другие дефекты могут быть более опасны, приводя к серьезной патологии. Чаще всего при митохондриальной патологии поражаются нервная и мышечная системы вследствие их большой энергозависимости и наличия большего числа митохондрий. Примеры: Миоклоническая эпилепсия с «рваными» красными мышечными волокнами, Синдром Лея, Синдром Кернса-Сейра и другие. Достижения медицинской генетики: Как видно из всех этих примеров, перечисленные заболевания очень тяжелые, все имеют генетическую природу, поэтому крайне важно вовремя диагностировать болезнь, назначить терапию, а может быть и предупредить ее возникновение. Современный уровень развития генетических исследований позволяет своевременно проводить диагностику вышеперечисленных заболеваний, дает новые возможности для изучения деятельности организма, генетических основ тех или иных болезней. Уже расшифрованы биохимическая и молекулярно-генетическая природа большого числа моногенных наследственных болезней, разработаны точные методы их диагностики. Проведение массового скрининга новорожденных на наследственные заболевания обмена позволяет поставить диагноз в ранние сроки и своевременно назначить эффективное лечение. В настоящее время все более широкое распространение в диагностике различных синдромов получают методы секвенирования. Секвенирование — это процесс определения нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК. Методы секвенирования нового поколения (next generation sequencing, NGS) — это целая группа технологий определения нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК как в формате отдельных участков генов, так и в объеме целого генома. Определение генетических мутаций методом NGS высокоэффективно: метод позволяет обрабатывать большие объемы данных за короткое время, выявлять и анализировать весь спектр имеющихся мутаций, что снижает число индивидуальных ошибок, связанных с особенностями генома пациента. Неинвазивная пренатальная диагностика наследственных заболеваний и пороков развития сейчас проводится на основе геномного секвенирования свободноциркулирующей ДНК плода, причем на ранних сроках беременности без всякого риска для мамы и малыша. Такой тест с достоверностью 99,9% позволяет выявлять риски наличия у плода генетических синдромов Дауна, Эдвардса, Патау, Шерешевского-Тернера и Клайнфельтера. С помощью метода молекулярного кариотипирования можно выявить отклонения в структуре и числе хромосом, которые могут стать причиной бесплодия, другой наследственной болезни или рождения больного ребенка. Кроме того в настоящее время с целью профилактики наследственных болезней и врожденных пороков развития проводится медико-генетическое консультирование, направленное на предупреждение появления в семье больных детей. Современные молекулярные методы диагностики положили начало персонализированной медицине. Любой человек может пройти генетический тест и узнать о происхождении далеких предков, предрасположенность к различным заболеваниям, рекомендуемые и не рекомендуемые виды физической нагрузки, советы по питанию, предполагаемые реакции на некоторые виды препаратов. Данная информация может быть учтена при выстраивании дальнейшего образа жизни с целью сведения рисков заболевания. Наоборот, если болезнь уже проявилась, то генетический тест позволит уточнить диагноз, предполагаемый исходя из анамнеза, анализов и общей клинической картины, скорректировать назначенное лечение в сторону большей эффективности. В настоящее время тестирование проводят по специализированным панелям, которые выбираются врачом-генетиком под конкретное заболевание: существуют десятки видов панелей — сердечно-сосудистые, нейродегенеративные, онкологические, офтальмологические, дерматологические, неврологические и многие другие. Многие виды рака обусловлены мутациями в определенных генах. Изредка злокачественная опухоль развивается вследствие одной единственной мутации, но чаще необратимые и неконтролируемые изменения клеточной функции — следствие нескольких нарушений во многих разных генах. Уже известно, что дефекты в иммунной системе, вирусы и метаболические расстройства сами по себе рак не вызывают. Эти факторы могут влиять на развитие злокачественных опухолей, но первопричина кроется в ДНК больного и способности генетического аппарата конкретного организма к нормальному функционированию. Например, рак яичников и молочной железы - наиболее частая форма рака среди женщин во всем мире. Развитие такого рака может быть связано с мутациями генов BRCA1 и BRCA2, препятствующими быстрому неконтролируемому делению клеток. Если в этих генах есть мутация — они не могут адекватно выполнять свою функцию, что повышает риск развития опухоли. 1 из 300 человек является носителем мутации гена BRCA1. 1 из 800 человек — носитель мутации BRCA2. НО! Положительный результат исследования не означает наличие у пациента опухоли на данный момент. Обнаружение опухольассоциированных мутаций позволяет включать пациентов в группы риска и регулярно проводить диспансеризацию внутри этих групп. Профилактические мероприятия среди групп пациентов с наследственными опухолевыми синдромами дают возможность предотвратить появление опухоли в раннем возрасте и развитие первично-множественных опухолей, что крайне важно для сохранения высокого качества жизни. Помимо тестирования на мутации определенных генов, в клиническую практику постепенно вводится генетическое типирование всей опухоли в каждом конкретном случае. Это помогает составить ее «молекулярный портрет», подобрать наиболее эффективные препараты, назначить оптимальную схему лечения для каждого пациента. Такой подход не просто позволяет выиграть драгоценное время, он помогает сделать лечение персонализированным, повышает шансы на успех при разных видах рака. Генная терапия (генотерапия) — принципиально новый подход, представляющий совокупность биомедицинских технологий лечения дефектов генов с помощью введения в организм новых генетических конструкций, способных восстановить или заменить дефектный ген. Такая терапия позволяет исправить дефекты, вызванные мутациями в структуре ДНК. Генотерапия широко используется в США и Европе. В основном такой метод лечения применяется в онкологии (более 60% проектов). Примерно по 15% приходится на генную терапию инфекционных (СПИД, гепатит В, туберкулез) и моногенных заболеваний (муковисцидоз, семейная гиперхолестеринемия, мукополисахаридозы, гемофилия А и др.). Уже можно говорить об успехах в лечении некоторых наследственных заболеваний с помощью стволовых клеток. Обнаружена удивительная особенность стволовых клеток. Независимо от происхождения, они в определенных условиях могут дать начало практически любым специализированным клеткам. Например, стволовые клетки красного костного мозга могут дать начало клеткам печени. Первое клиническое применение стволовых клеток началось еще до их открытия. При переливании крови в организм реципиента попадают стволовые клетки донора, которые внедряются в организм реципиента и дифференцируются. При лейкозах (рак крови) широко применяют обильное переливание крови и пересадку костного мозга - вводят в организм клетки, дающие начало всем клеткам крови – аллогенная трансплантация. В результате образуются нормальные, не пораженные раком лейкоциты и лимфоциты, что улучшает состояние пациента. К сожалению, при переливании крови или пересадке ткани костного мозга от одного человека к другому может наблюдаться реакция отторжения. Ее пытаются минимизировать, подбирая донора, антигенная структура белков которого сходна с таковой у реципиента. Используют также лекарства, подавляющие иммунный ответ последнего. Однако это может быть опасно, так как иммунная система обеспечивает очищение организма от инфекционных агентов и время от времени возникающих в нем клеток с измененным геномом. Можно решить проблему тканевой несовместимости, используя для пересадки стволовые клетки самого пациента, размноженные вне организма. Очень важно то, что стволовые клетки почти не подвержены злокачественному перерождению, поскольку обладают системой зашиты генома значительно более мощной, чем вступившие на путь специализации. Из костного мозга больных лейкозом выделяют стволовые клетки и консервируют их в жидком азоте. Затем собственный костный мозг, включая содержащиеся в нем опухолевые клетки, подавляют облучением или цитостатиками (лекарствами, блокирующими рост и размножение клеток), после чего восстанавливают кроветворение и иммунитет, пересаживая сохраненные в азоте стволовые клетки, из которых образуется полный набор нормальных клеток крови. Это так называемая аутотрансплантация. Такую замену производят не только при лейкозах, но и при других опухолях, если лечение включает курсы радио- или химиотерапии. В настоящее время для каждого рождающегося человека может быть создан запас стволовых клеток, по свойствам близких к эмбриональным и генетически тождественных всем его другим клеткам. Для этого при родах нужно собирать содержащую их пуповинную кровь и хранить ее (или выделенные из нее клетки) в жидком азоте вплоть до момента, когда она понадобится для пересадки. Также стволовые клетки используют для лечения системной красной волчанки. Это заболевание характеризуется тем, что клетки иммунной системы разрушают собственные клетки организма. Для лечения этой болезни применяли большие дозы иммунодепрессантов. Однако, введение пациентам их собственных стволовых клеток, извлеченных из костного мозга, привело практически к полному их излечению. Описаны случаи, когда добавление стволовых клеток приводило к восстановлению роговицы глаза. При тяжелых сердечных заболеваниях пересадка препаратов стволовых клеток, полученных из собственного костного мозга пациента, приводит к частичному или полному восстановлению структуры и функции миокарда. Введение полученных из стволовых клеток остеобластов (предшественники клеток кости) в зону перелома значительно ускоряет процесс сращивания кости, а введение хондробластов (предшественники клеток хряща) в суставную сумку стимулирует регенерацию хряща на суставных поверхностях. Таким образом, генетические технологии в настоящее время становятся неотъемлемой частью современной медицины, способствуют развитию новых методов диагностики, поиску новых схем лечения, улучшают качество жизни пациентов.