Позаклітинна ДНК (пкДНК) - це фрагменти генетичного матеріалу, що вільно циркулюють у крові та інших біологічних рідинах організму. Це відносно новий та перспективний біомаркер, який привертає все більшу увагу дослідників та клініцистів завдяки своєму потенціалу в діагностиці, прогнозуванні та моніторингу різноманітних патологічних станів.
Вивчення позаклітинного генетичного матеріалу відкриває нові можливості для розвитку неінвазивних методів діагностики та персоналізованої медицини. У цій статті ми розглянемо походження, характеристики та клінічне застосування пкДНК, а також обговоримо її роль у пренатальній діагностиці та дослідженні процесів старіння.
Походження та характеристики позаклітинного генетичного матеріалу
Позаклітинна ДНК являє собою дво- або одноланцюгові молекули генетичної інформації довжиною від 500 до 21000 пар основ. Вона виявляється в крові, сечі та інших біологічних рідинах організму. Найбільше досліджень зосереджено на її виявленні в плазмі та сироватці крові, оскільки це легкодоступні рідини, які можна отримати мінімально інвазивним методом.
Існує принаймні два механізми, за допомогою яких фрагменти генетичного матеріалу можуть потрапити в кровообіг:
- Пасивний механізм - апоптотичні та некротичні клітини вивільняють ядерну та мітохондріальну ДНК у кровотік у процесі руйнування клітин.
- Активний механізм - спонтанне вивільнення фрагментів генетичного матеріалу у кровообіг культивованими клітинними лініями різного походження.
У нормальних фізіологічних умовах рівень циркулюючого генетичного матеріалу низький, але різко підвищується при певних патологічних станах, наприклад, при пухлинних процесах.
Класифікація позаклітинного генетичного матеріалу
Залежно від походження виділяють три типи циркулюючого генетичного матеріалу:
- Нормальна циркулююча ДНК. Утворюється з деградованих фрагментів генетичного матеріалу, що виникають у результаті процесу апоптозу або некрозу нормальних ядровмісних клітин організму, головним чином гемопоетичних клітин.
- Циркулююча ДНК плода. Вільно циркулює в кровотоці матері. Цей генетичний матеріал має переважно плацентарне походження і його присутність була продемонстрована на ранніх стадіях розвитку (на 6 тижні вагітності), коли ще немає зв'язку між фетоматеринським кровообігом.
- Циркулююча пухлинна ДНК. Походить безпосередньо з пухлини або циркулюючих пухлинних клітин. Її кількість збільшується в міру прогресування стадії раку, а її молекулярні зміни дозволяють відрізнити її від нормальної циркулюючої ДНК.
Клінічне застосування позаклітинного генетичного матеріалу
Аналіз циркулюючого генетичного матеріалу - неінвазивний та недорогий метод, тому численні дослідження зосереджені на його можливому клінічному застосуванні. Розглянемо основні напрямки використання позаклітинного генетичного матеріалу у медичній практиці.
Застосування циркулюючої ДНК плода
Вільна ДНК плода дозволяє діагностувати та вивчати різні точкові мутації без необхідності проведення інвазивних процедур, що ставлять під загрозу здоров'я матері або дитини. Цей генетичний матеріал починає бути присутнім в материнській крові з шостого тижня вагітності. Незважаючи на високий ступінь фрагментації, у плазмі матері представлений весь геном плода. Це означає, що апріорі будь-який генетичний дефект можна вивчити у вільній ДНК плода, присутній у материнській крові.
Основні напрямки застосування циркулюючої ДНК плода включають:
- Визначення статі плода
- Визначення резус-фактора плода
- Виявлення моногенних захворювань
- Дослідження анеуплоїдій плода
Неінвазивний пренатальний тест (NIPT)
Неінвазивний пренатальний тест (NIPT) є одним з найважливіших застосувань аналізу позаклітинної ДНК плода. Цей тест дозволяє виявити хромосомні аномалії плода шляхом аналізу фрагментів ДНК плода, що циркулюють у крові матері.
Процедура NIPT включає наступні етапи:
- Забір крові матері (зазвичай після 10 тижня вагітності)
- Виділення позаклітинної ДНК з плазми крові
- Секвенування генетичного матеріалу для виявлення хромосомних аномалій
- Аналіз даних та інтерпретація результатів
NIPT має високу чутливість та специфічність для виявлення найпоширеніших хромосомних аномалій, таких як синдром Дауна (трисомія 21), синдром Едвардса (трисомія 18) та синдром Патау (трисомія 13). Цей тест також може виявити аномалії статевих хромосом.
Важливо зазначити, що NIPT є скринінговим тестом, а не діагностичним. Позитивні результати NIPT повинні бути підтверджені інвазивними методами, такими як амніоцентез або біопсія хоріона.
Застосування нормальної циркулюючої ДНК
Нормальна циркулююча ДНК знаходить застосування в наступних клінічних ситуаціях:
- Біомаркер відторгнення трансплантата органів. Нормальну циркулюючу ДНК можна використовувати для моніторингу еволюції органа після його імплантації пацієнту. Кількісна оцінка вільної ДНК трансплантата дозволяє виявляти епізоди відторгнення на ранніх стадіях, коли інші діагностичні методи неефективні.
- Моніторинг лікування системного червоного вовчака. Зниження рівня циркулюючого генетичного матеріалу спостерігалося після терапії у тих пацієнтів, які позитивно відреагували на лікування. Це відкриває можливість використання цієї ДНК як маркера для моніторингу лікування системного червоного вовчака.
- Прогноз та моніторинг травми. Високі рівні циркулюючої ДНК можуть бути маркером загибелі клітин у результаті їх пошкоджень. Наприклад, у людей з діагностованим інфарктом міокарда спостерігався більш високий рівень позаклітинного генетичного матеріалу, ніж у здорових людей.
Застосування циркулюючої пухлинної ДНК
Циркулююча пухлинна ДНК представляє собою молекули генетичної інформації, що виділяються пухлинами в рідини організму. Аналіз цього генетичного матеріалу може дати більшу частину тієї ж інформації, що й біопсія тканини. При багатьох пухлинах біопсія тканини є складним завданням, оскільки вона дорога, болюча або потенційно ризикована для пацієнта.
Основні напрямки застосування циркулюючої пухлинної ДНК включають:
- Раннє виявлення раку
- Виявлення рецидиву при локалізованому раку
- Прогнозування відповіді на лікування при метастатичному раку
- Ідентифікація механізмів резистентності при рефрактерному раку
- Моніторинг відповіді при метастатичному раку
Позаклітинний генетичний матеріал та старіння
Враховуючи все більш старіюче населення світу, в останні роки численні дослідження спрямували свої зусилля на збільшення тривалості здорового життя. Важливим моментом у пошуку рецепту того, як жити довше і краще, є наявність біомаркерів, які інформують дослідників та фахівців-клініцистів про те, наскільки швидко або повільно людина старіє на біологічному рівні.
Дослідники з Університету Брауна в США та Університету Болоньї в Італії запропонували позаклітинний генетичний матеріал як потенційний біомаркер здорового старіння. Вони порівняли вільну ДНК, що циркулює в плазмі молодих чоловіків і жінок, а також людей віком близько 70 років і довгожителів. Вивчалися як люди з відносно хорошим здоров'ям, так і хворі.
Основні висновки дослідження:
- Простір між нуклеосомами стає більш нерівномірним у міру збільшення віку людей.
- Сигнали ущільнення нуклеосом, отримані у здорових довгожителів, більше схожі на сигнали 20-річних, ніж у 70-річних.
- З віком відбувається втрата вільно циркулюючого генетичного матеріалу в різних областях геному, таких як області ініціації або термінації транскрипції.
Ці дослідження відкривають нові перспективи у вивченні процесів старіння та розробці стратегій для продовження здорового життя.
Виклики та перспективи досліджень позаклітинного генетичного матеріалу
Незважаючи на значний прогрес у вивченні пкДНК, існує ряд викликів, які потребують вирішення:
- Стандартизація методів виділення та аналізу пкДНК
- Підвищення чутливості та специфічності аналізів
- Розробка надійних алгоритмів інтерпретації даних
Перспективні напрямки досліджень позаклітинного генетичного матеріалу включають:
- Вивчення епігенетичних модифікацій пкДНК
- Дослідження взаємодії пкДНК з імунною системою
- Розробка нових методів аналізу пкДНК, включаючи технології на основі нанопор
Висновки
Позаклітинна ДНК є перспективним біомаркером, який має широкий спектр клінічних застосувань. Від пренатальної діагностики до онкології та вивчення процесів старіння, пкДНК відкриває нові можливості для неінвазивної діагностики та персоналізованої медицини.
Подальші дослідження та технологічний прогрес у галузі аналізу позаклітинної ДНК можуть призвести до революційних змін у діагностиці та лікуванні різноманітних захворювань. Важливо продовжувати інвестувати в цю галузь досліджень та сприяти впровадженню нових методів аналізу пкДНК у клінічну практику.
Компанії, які виробляють спеціалізовані пробірки для забору та зберігання зразків позаклітинного генетичного матеріалу, такі як Streck, відіграють ключову роль у забезпеченні якості та надійності аналізів пкДНК. Використання відповідних пробірок дозволяє зберегти цілісність та стабільність цього біомаркера, що є критично важливим для отримання точних результатів досліджень.
У міру того, як наше розуміння позаклітинного генетичного матеріалу поглиблюється, ми можемо очікувати появи нових діагностичних тестів та терапевтичних підходів, які використовують цей унікальний біомаркер. Це, в свою чергу, може призвести до значного поліпшення діагностики, лікування та профілактики різноманітних захворювань, а також сприяти розвитку персоналізованої медицини.
