Санкт-Петербургский государственный университет
Национальный медицинский исследовательский центр психиатрии и неврологии имени В.М. Бехтерева
Институт эволюционной физиологии и биохимии имени И.М. Сеченова Российской академии наук
Настоящее и будущее биомаркеров в диагностике эндогенных психических расстройств
Петрова Н.Н., Бутома Б.Г., Дорофейкова М.В.
Санкт-Петербург
Резюме
В статье приведен обзор биомаркеров, изучаемых в настоящее время в качестве потенциальных методов диагностики различных нервно-психических заболеваний, включая расстройства шизофренического и аффективного спектра. Кроме биомаркеров, источник которых кровь (что является менее травматичным методом, чем использование спинномозговой жидкости), возможно использование данных, получаемых на основе современных нейровизуализационных методов (диффузно-тензерной трактографии и воксель-базированной морфометрии). Приведены литературные данные по эпигенетической регуляции в механизмах развития психической патологии. Отмечена роль метаболомики в изучении механизмов развития психических расстройств. Современные подходы включают изучение белков с помощью масс-спектрометрии, что может позволить выявить специфические изменения в путях передачи сигналов и взаимодействиях на уровне протеинов. Анализируя данные литературы, авторы приходят к выводу, что в ближайшее время вряд ли можно ожидать появления биомаркеров, специфичных для конкретных нозологий. Сфера их применения - скорее получение информации о характере патофизиологии и помощь в выборе терапии, потому что специфичности и чувствительности вышеописанных тестов недостаточно для их самостоятельного независимого использования в диагностических целях. В связи с тем, что большинство психических расстройств манифестируют в результате взаимодействия многих генетических и средовых факторов, их природа чрезвычайно гетерогенна, и не следует ожидать создания простых диагностических тестов. Вместо поиска биомаркеров, выделяемых на основании клинических симптомов расстройств, следует рассмотреть возможность создания новой альтернативной биологической классификации на основе молекулярных маркеров. биомаркер психический расстройство заболевание
Ключевые слова: биомаркеры, диагностика, психозы, шизофрения, биполярное аффективное расстройство, метаболомика, нейронные сети.
Abstract
Present and Future of Biomarkers in Diagnostics of Endogenous Neuropsychiatrie Disorders
The article provides the overview of biomarkers currently being studied as potential methods of diagnostics of various neuropsychiatric disorders, including schizophrenic and affective spectrum disorders. In addition to blood-based biomarkers (which is less traumatic than the use of cerebrospinal fluid), it is possible to use the data obtained with modern neuroimaging methods (diffuse-tenser tractography and voxel-based morphometry). The literature data on epigenetic regulation in the mechanisms of development of psychiatric pathology are presented. The role of metabolomics in the study of mechanisms of development of mental disorders is noted. Modern approaches include mass spectrometry, which can reveal specific changes in the ways of signal transmission and interactions at the protein level. Analyzing the literature data, the authors come to the conclusion that in the near future we can hardly expect the appearance of biomarkers specific for certain disorders. The scope of their use is rather to obtain information about the nature of pathophysiology and help in the choice of therapy, because the specificity and sensitivity of the abovementioned tests are not enough for their independent use for diagnostic purposes. Due to the fact that the majority of mental disorders manifest as a result of the interaction of many genetic and environmental factors, their nature is extremely heterogeneous. One should not expect the creation of simple diagnostic tests. Instead of searching for biomarkers derived from clinical symptoms of disorders, a new alternative biological classification based on molecular markers should be considered.
Keywords: biomarkers, diagnostics, psychoses, schizophrenia, bipolar affective disorder, metabolomics, neural networks.
Основная часть
Биомаркеры - это поддающиеся измерению показатели биологических процессов, встречающихся в норме и при патологии, или степени терапевтического ответа [1,2].
В связи с меньшей инвазивностью, отсутствием более тяжелых осложнений и побочных эффектов, а также более высоким уровнем ком- плайенса использование крови в качестве источника биомаркеров является предпочтительным по сравнению со спинномозговой жидкостью [3], поэтому мы преимущественно сосредоточим внимание на биомаркерах, получаемых из крови.
С современных позиций шизофрению и аффективные расстройства рассматривают как заболевания, в патофизиологические механизмы формирования которых вовлечены механизмы нейродегенерации [4]. Ранее было замечено, что появление нейроспецифических антигенов в периферической крови отражает наличие деструктивных процессов как в астроцитарных и олигодендрональных элементах нервной ткани (белок Б-100, ОБМ, Galc-1-типа) [5, 6] и миелиновых оболочках (ОБМ), так и собственно в мембранах нейронов (МемАг) [7]. Эти процессы характерны как для шизофрении, так и для аффективных психозов [8]. По мнению М.Б. Штарк [9], термины «нейроспецифические белки» и «нейроспе- цифические антигены» тождественны.
Биомаркеры играют важную роль в диагностике психоневрологических расстройств. Например, уровни белков семейства 14-3-3 и агрегированных прионных белков позволяют подтвердить диагноз спорадической формы болезни Крейцфельда - Якоба [10], а наличие олигоклональных Ig G - рассеянного склероза [12]. Разрабатываются диагностические рекомендации для болезни Альцгеймера, в которые могут быть включены уровни амилоида A0-42 и тау-протеинов t-Tau и p-Tau, которые начинают снижаться задолго до первых клинических проявлений [12]. Соотношение AR 42 / AR 40 применяется для дифференциальной диагностики деменции при болезни Альцгеймера и деменции с тельцами Леви [13]. Одним из прошедших валидизацию инструментов диагностики болезни Альцгеймера, в том числе продемонстрировавшим умеренную предиктивную способность в отношении конверсии в деменцию на стадии умеренного когнитивного расстройства, является тест на обоняние, составленный из 10 запахов из набора Пенсильванского теста (University of Pennsylvania Smell Identification Test, UPSIT) [14].
Полногеномный анализ ассоциаций позволил создать большую базу данных по генетическим характеристикам психических расстройств, однако практическое применение этих результатов было найдено только в отношении терапевтического ответа [15]. M.T. Tsuang и соавторы продемонстрировали возможности применения полимеразной цепной реакции в режиме реального времени для дифференциальной диагностики шизофрении, биполярного аффективного расстройства и отсутствия психического заболевания с помощью набора из восьми генов (APOBEC3B, ADSS, ATM, CLC, CTBP1, DATF1, CXCL1, S100A9) с точностью 95-97% [16]. В то же время, к примеру, наследственность играет роль лишь в 31-42% случаев рекуррентного депрессивного расстройства, и вследствие этого генетический анализ при данном расстройстве может играть лишь предсказательную, но не диагностическую роль [17].
Делаются попытки выделить диагностически значимый набор генов с помощью технологии высокоплотных микрочипов, которая используется для определения их экспрессии [15]. Продемонстрирована точность диагностики шизофрении 89,3 и 70% среди пациентов и здорового контроля соответственно [18].
Необходимо отметить, что геномные исследования при всей их успешности с точки зрения фундаментальной науки пока не способствовали улучшению диагностики психических расстройств в клинической практике, а также развитию психофармакологии. Некоторые авторы считают неперспективным традиционный поиск отдельных биомаркеров, связанных с конкретными путями, за которые отвечают гены-мишени [19].
В то же время есть мнение, что на современном этапе научный поиск преимущественно должен быть направлен на изучение белков с помощью масс-спектрометрии, что позволит выявить изменения в путях передачи сигналов и взаимодействиях на уровне протеинов [20]. Среди подобных биомаркеров крови D. Martins-de-Souza c соавторами [21] смогли выделить из 190 молекул 20, изменения экспрессии которых характерны для будущих больных шизофренией, и 14 - биполярным аффективным расстройством. Эта группа исследователей также обнаружила свойственное лицам с шизофренией снижение экспрессии белка CD5L, константных участков ц-цепей иммуноглобулинов, фактора коагуляции XIIIB, трансферрина, a-2-HS гликопротеина и аполипо- протеинов A1, A2, A4, C1 и D [21]. В результате был разработан первый способствующий диагностике шизофрении тест, основанный на применении маркеров крови, который был запатентован в США как VeriPsych™ (Myriad Rules Based Medicine, Austin, TX, USA).
Эпигенетическая регуляция является важным механизмом психических расстройств, и она осуществляется в первую очередь микроРНК, изменение экспрессии которой влияет в том числе на синаптическую пластичность. Существуют неоднозначные данные касательно измененного уровня экспрессии микроРНК при шизофрении и биполярном расстройстве. К примеру, в посмертных исследованиях было обнаружено, что у больных рекуррентным депрессивным расстройством нарушена пуринергическая передача сигнала, а у пациентов с шизофренией - метаболизм пироглютамовой кислоты, сорбитола и токоферола [19].
Методы метаболомики Метаболомика - это «систематическое изучение уникальных химических «отпечатков пальцев» специфичных для процессов, протекающих в живых клетках» - конкретнее, изучение их низкомолекулярных метаболических профилей. Метаболом представляет собой совокупность всех метаболитов, являющихся конечным продуктом обмена веществ в клетке, ткани, органе или организме. В то время как данные об экспрессии мРНК генов и данные протеомного анализа не раскрывают полностью всего того, что может происходить в клетке, метаболические профили могут дать мгновенный снимок физиологических процессов в клетке [22]. позволили предположить, что в генезе биполярного расстройства играют роль циклы лимонной и мочевой кислоты, а также аминокислот. В большинстве исследований обнаруживают повышение уровня экспрессии микроРНК miR9, miR-29, miR-106B, miR-125A, miR-125B, miR-181B, miR-30E, miR-34A, miR-346, miR-7 и других микроРНК в головном мозге, а некоторых - и в плазме крови больных [23]. Предположительно, достаточный для диагностического использования уровень достоверности может быть достигнут при валидизации такого метода с применением полноценной панели показателей, однако такие исследования до настоящего времени не проведены.
Первым лабораторным методом, помогающим в диагностике депрессии, стал тест подавления секреции кортикотропина дексамета- зоном, что у здоровых приводит к снижению уровня кортизола. Как показывают исследования, тест работает (уровень кортизола не снижается) не только при тяжелой депрессии, но также мании, остром психозе (со специфичностью 87%), дистимии (77%), что ограничивает его диагностическую ценность [17]. Более объективными и диагностически ценными методами можно считать наборы маркеров. Например, в 2009 г. был предложен вероятностный тест, включающий измерение нейротрофических, метаболических, воспалительных, гормональных маркеров, отобранных из сотни претендентов: а-1 антитрипсина, апо- липопротеина C III, BDNF, кортизола, эпидермального фактора роста, миелопероксидазы, пролактина, резистина, растворимого фактора некроза опухоли а II типа, тиреотропного гормона [24]. Транскриптомные исследования при депрессии показали, что лимфоциты могут служить удобным источником информации; были получены данные по возможным биомаркерам среди показателей экспрессии генов, в том числе ADCY3, DGKA, FAM46A, IGSF4A/CADM1, KIAA1539, MARCKS, PSME1, RAPH1 и TLR7, с помощью которых можно не только относительно надежно отделять больных депрессией от здоровых, но и определять вышедших в ремиссию и терапевтический ответ [17, 25]. Проводимые в настоящее время исследования свидетельствуют о том, что не существует ни одного маркера рекуррентного депрессивного расстройства, чувствительность и специфичность которого достигала бы уровня, позволяющего использовать его в диагностических целях или для определения терапевтического ответа [17].
Обсуждая роль нейромаркеров в диагностике психических расстройств, нельзя не отметить, что в последние годы все больший интерес ученых стали вызывать процессы, происходящие в нейроглии при различных психических заболеваниях [8, 26, 27]. Изменения в нейроглии при нервно-психических расстройствах подтверждаются и современными методами нейровизуализации, в частности диффузно-тензорной трактографией [26, 28], дающей представление о структурных изменениях белого вещества головного мозга. С помощью диффузионно-тензорной томографии удалось визуализировать поражение белого вещества головного мозга (ассоциативных корковых полей) при различных заболеваниях ЦНС и коморбидных психических расстройствах [29-31].
Нарушение функционирования тормозных систем головного мозга находит отражение в таких маркерах функциональной МРТ, как повышенная активация нейронов миндалевидного тела, что связывают с недостатком тормозных влияний медиальной префронтальной коры [32].
Предпринимаются попытки применить для диагностики психических расстройств данные воксель-базированной морфометрии. Однако, как считает ряд авторов, воксель-базированная морфометрия, в соответствии с данными Кокрановского обзора, не может быть использована в диагностике шизофрении на этапе первого эпизода [33], а диагностическая (предсказательная) ценность морфометрии серого вещества составляет 75% для шизофрении и 63% для биполярного расстройства против здоровых, а также 62% для шизофрении против биполярного расстройства в срезовом исследовании [34].
В настоящее время достаточно активно изучается роль хронического нейровоспаления и связанной с ним эксайтотоксичности - процессов, ведущих к повреждению, дегенерации и гибели нервных клеток при различных психических заболеваниях [4, 35, 36]. Установлено, что у пациентов с депрессиями выявляются высокие уровни воспалительных биомаркеров [36]. Существует «цитокиновая»/«воспалительная» теория депрессивных расстройств, которая основана на данных о повышении уровня интерлейкина-ip, интерлейкина-6, фактора некроза опухоли а (провоспалительных цитокинов, продуцируемых моноцитарны- ми макрофагами) и интерферона-у, интерлейкина-2 (Т-лимфоцитами). Обнаружено, что цитокины связаны с различными патофизиологическими звеньями, которые характеризуют депрессивные расстройства: нейромедиаторным обменом, нейроэндокринными функциями, синаптической пластичностью и, собственно, клиническими проявлениями [35, 37, 38]. Выявлено, что при хроническом воспалении снижается интенсивность биосинтеза катехоламинов, которая приводит к изменению нейротрансмиссии у пациентов с депрессивными расстройствами [36]. Провоспалительные цитокины вызывают нейромедиаторный дисбаланс, снижают концентрации триптофана и серотонина [39, 40].