Биомаркеры в нейропсихиатрии

    Биомаркеры являются ценным инструментом ранней диагностики  пациентов с повышенным риском развития нейропсихиатрических расстройств.  Технологии на основе метаболомики позволяют провести  картирование ранних биохимических изменений нейропсихиатрических расстройств , выделить прогностические биомаркеры, которые могут использоваться в качестве индикаторов патологических аномалий еще до развития клинических симптомов нейропсихиатрических расстройств.

     Использование термина «биомаркер» началось, по - видимому,  еще в 1980 году. В 1998 году Национальная рабочая группа по определению биомаркеров для здравоохранения описала биомаркер как «характеристику, которая объективно измеряется и оценивается в качестве показателя нормальных биологических процессов , патогенных прогрессирующих расстройств  или фармакологических реакций на терапевтическое вмешательство». В метаболомике биомаркеры могут быть обнаружены и измерены  в любом биологическом образце, например, в крови, моче или слюне, и могут быть индикаторами признаков ( симптомом) болезни (или маркеров риска ее возникновения и проноза течения ).

       На тканевом и субклеточном уровнях можно выделить такие их аспекты , как  транскриптомика, протеомика, метаболомика, липидомику, иммунологическую и биологическую эпигенетику.

Биомаркеры в геномике

             В последнее время геномные технологии постепенно применяются к исследованию нейропсихиатрических расстройств.  Исследования в области генома (GWAS) значительно увеличили объем знаний о генетической основе психических расстройств. GWAS основаны на том факте, что несколько однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в определенном гаплотипе предоставляют одну и ту же информацию для связи с каузальным вариантом, таким образом уменьшая количество SNP, подлежащие тестированию для поиска ассоциации.  Поскольку большинство общих SNP расположены в геномных регионах без четкой функции (например, интронных областях или межгенных областях), идентификация фундаментального «этиологического» варианта или идентификация связанной функции требует дальнейших усилий.  Многие SNP связаны с прогнозированием реакции на лечение (как с точки зрения терапевтической эффективности, так и профиля побочных эффектов). 

           Профилирование экспрессии генов лимфоцитов является  интересной темой  исследований в области периферических биомаркеров. Во многих исследованиях основное внимание было уделено профилированию экспрессии гена крови человека, сопоставлению болезни и результатов исследования здоровых контрольных групп , а также  перекрестному сопоставлению с данными экспрессии головного мозга человека после его смерти.

          G. Iga et al. (2007) изучали экспрессию периферических генов до и после лечения пациентов с депрессией и сообщали о высоком уровне гистондезацетилазы 5 и связывающем белке 1 рецептора циклического AMP-ответа до лечения со значительным снижением выраженности симптомов депрессии после 8 недель лечения антидепрессантами. Некоторые исследователи сосредоточились на определении сетей коэкспрессий, связанных с шизофренией (SCZ) и обнаружили, что самая важная сеть, разветвленная от гена ABCF1, гена, контролируемого основным комплексом гистосовместимости находится в связанном  с шизофренией SCZ генетическом регионе.

           В 2005 году Tsuang et al. обнаружили предполагаемый биомаркер с 8 генами, способный распознавать больных с биполярноым аффективном расстройством (BD), шизофренией (SCZ ) и контролем с точностью до 95% с использованием экспрессии генов .

Биомаркеры в транскриптомике

           Другой методологией для текущего обнаружения биомаркеров основных психических расстройствах являются высокопроизводительные микрочипы , которые включают весь транскриптом человека и способны идентифицировать обилие мРНК (например, профили экспрессии). Изучение изменений генной экспрессии, связанное с SCZ, является самым популярным  исследовательским методом идентификации биомаркеров.

            В дополнение к традиционным массивам мРНК  создан новый и перспективный транскрипномический подход с использованием микроРНК (miRNAs). miRNAs представляют собой небольшие (приблизительно 22 нуклеотида) некодирующие РНК, которые реализуют регуляторные функции клеток и тканей, относящиеся к развитию и гомеостазу. Большое внимание было уделено роли miRNAs, преимущественно при шизофрении (SCZ).  Данные miRNA недавно были помещены в Gene Expression Omnibus, представляя измененную экспрессию miRNA в лобной коре  депрессивных пациентов. Количество miRNAs в настоящее время составляет 706 по базе данных Sanger miRBase 13.0 miRNA.

Биомаркеры в протеомике

           В последние годы протеомика оказалась интригующим  подходом, используемым не только для распознавания новых диагностических и терапевтических биомаркеров нейропсихиарических расстройств , но также для исследования клинической диагностики и разработки лекарств для лечения психических расстройств. Технологии, основанные на протеомике и предложенные для обнаружения биомаркеров, обнадеживают, поскольку изменения экспрессии белка и его изобилия, структуры или функции могут использоваться в качестве индикаторов патологических аномалий до распознования  клинических симптомов нейропсихиатрических расстройств.

         Основанные на геномике инструменты обеспечили важное понимание в интерпретации результатов исследований в областях  нейробиологии и психиатрии, но когда дело доходит до клинического применения, диагностических и терапевтических вариантов выявления и лечения нарушений головного мозга генетика нередко ошибается. Напротив, используя идентификацию белка, основанную на высокопроизводительном масс-спектрометрическом (МС) анализе, вероятно, можно определить  пути передачи сигнала и найти сложные сети взаимодействий на уровне белков. Исследования, использующие протеомический подход, в значительной степени расширили наше понимание психических расстройств и определили  соответствующие им биомаркеры. Количественная и качественная идентификация структур белка в постмортальной мозговой ткани, цереброспинальной жидкости (CSF), плазме или сыворотке с использованием протеомических инструментов предоставила  знания об этиологии и патогенезе психических заболеваний.  Интересно, что в этом подходе был проведен  первый анализ крови для оказания помощи в диагностике SCZ, основанный на идентификации набора анализов молекулярного биомаркера. Протеомический анализ пациентов с первым эпизодом SCZ после лечения рисперидоном в образцах плазмы выявил значительные изменения в аполипопротеине AI и гуанинуклеотидсвязывающем белке, стимулировавшим альфа и позволил предположить, чтобы аполипопротеин AI мог бы стать  новым биомаркером, связанным с метаболическими побочными эффектами в первом эпизоде ​​SCZ у пациентов, получавших рисперидон.

           В ряде доклинических исследований также было показано, что нейротрофический фактор мозга (BDNF), хорошо известный нейротрофин, играет важную роль в патофизиологии многочисленных психических расстройств. регулирует рост, выживание и функцию нейронов взрослого мозга. Однако клинические исследования BDNF в психиатрических расстройствах противоречивы. В некоторых сообщениях отмечается снижение уровня BDNF в крови у пациентов с SCZ, тогда как другие подтвердили противоположные результаты.

Биомаркеры в метаболомике

       Метаболомика (также известная как метаболизм или метаболическое профилирование) является «систематическим исследованием уникальных "химических отпечатков" , "которые специфические клеточные процессы оставляют позади», а именно, изучение метаболитов маломолекулярных (<1500Da) профилей. Метаболизм обозначает совокупность всех метаболитов в биологической клетке, ткани, органе или организме, которые являются конечными продуктами клеточных процессов.  В то время как данные экспрессии гена мРНК и протеомический анализ не указывают всю историю того, что может происходить в клетке, метаболическое профилирование может дать мгновенный снимок физиологии этой клетки. Несмотря на то, что метаболизм можно определить достаточно легко, в настоящее время он не перспективен для анализа полного диапазона метаболитов одним аналитическим методом.

       Выбор аналитической аппаратуры и программного обеспечения для метаболомий обычно является специфическим для цели, поскольку каждый тип инструмента имеет определенные преимущества. Например, для идентификации сигнатур в амиотрофическом боковом склерозе и болезни Паркинсона использовали жидкостную хроматографию с последующим обнаружением кулонометрической матрицы .

         Метаболомика (Metabolomics) , новейшая стратегия, предлагает мощные инструменты для описания изменений  в метаболических путях и сетях нейронах при нейропсихиатрических заболеваниях человека. Метаболомика позволяет картировать ранние биохимические изменения при  болезни и, следовательно, предоставляет  возможность разрабатывать прогностические биомаркеры, которые могут быть полезны при лечении болезней на ранних стадиях ее течения. Фактически, метаболизм представляется многообещающим для диагностики и идентификации ключевых метаболических признаков, которые описывают некоторые патологические и физиологические состояния.  Использование метаболомики охватывает обширные области медицины , в том числе: диагностику заболеваний, открытие и применение  лекарст, фармакометаболические и индивидуально подобранные ( персонализированные ) , нутригеномику и метаболическую инженерию / биотехнологию. Применение  метаболомики при поиске новых биомаркеров в разных клинических областях основано на гипотезе о том, что болезни вызывают нарушение биохимических путей, приводящих к метаболическому сдвигу , напоминающему "отпечаток пальца", характерный для конкретного сайта приложения и характера заболевания. Фактически, для ряда заболеваний уже были зарегистрированы метабономические сигнатуры , включая основное депрессивное расстройство (MDD ), шизофрению (SCZ) , сердечно-сосудистые заболевания  и ишемическую  болезнь сердца , диабет , биполярное аффективное расстройство (BD) , наркоманию , а также раковые заболевания. 

        Другим аспектом метаболомики,  как инструмента для обнаружения биомаркеров является ее способность исследовать  отношения и взаимодействия между метаболическим состоянием индивидуума и экологическими аспектами (диета, образ жизни, микробная активность кишечника и генетика) при определенных условиях, что и обеспечивает метаболическое фенотипирование (метаботипирование) в области здоровья и болезней.  Например, GWAS обнаружили ассоциации между изменением генотипа и фенотипами болезни , и, аналогично, широкая ассоциация метаболитов (MWAS) выявила ассоциации метаболических фенотипов с риском заболевания в общей популяции и связала эти метаботы с факторами риска болезни. Основным преимуществом подхода MWAS является то, что полученные биомаркеры являются подлинными метаболическими конечными точками, и исследования этих точек могут помочь обнаружить  новые терапевтические цели. В целом, биомаркеры на основе метаболитов должны оказаться полезными для диагностики и скрининга болезни, токсичности и эффективности терапии, стратификации пациентов, открытия лекарств и мониторинга реакции пациента на лечение. 

Биомаркеры липидомике

              Липидомика - это комплексный анализ молекулярных видов липидов с их количественными и метаболическими путями. Поскольку липиды поддерживают разнообразие биологических функций в процессах жизни, таких как образование клеточных мембран, хранение энергии и сигнализация от клеток, то можно прогнозировать те изменения , которые влияют на нейропсихиатрические расстройс тв а, чтобы отражать большую часть метаболического статуса, касающегося здоровья и болезней. В нескольких исследованиях было показано, что липидомика, по-видимому, имеет решающее значение для определения новых молекулярных видов липидов, которые функционируют как потенциальные биомаркеры во многих связанных с липидами заболеваниях. Одним из наиболее широко используемых биомаркеров липидов был холестерин, который в виде общего холестерина и / или липопротеинов высокой плотности использовался в расчетах риска сердечно-сосудистых заболеваний более 50 лет.

      В одном из исследований использовали специализированную платформу липидомики и обнаружили изменения в различных классах липидов (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, триацилглицерин), которые были обнаружены в плазме пациентов с шизофренией (SCZ) после 2 - 3 недель лечения атипичными антипсихотическими препаратами. Недавнее исследование также продемонстрировало, что значительное снижение регуляции нескольких композиций полиненасыщенных жирных кислот n3 и n6 в классах липидов фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина отмчалось в плазме крови пациентов первого эпизода шизофрении ( SCZ). 

Биомаркеры в эпигенетике

      Эпигенетика - это исследование долговременной модификации ядерной ДНК (например, метилирования или модификации нуклеосом), которая часто зависит от окружающей среды и проявляет себя как изменения в экспрессии генов. Поскольку более эпигенетические метки связаны с конкретными заболеваниями, инструменты диагностики могут быть усовершенствованы для ее улучшения  и оценки тяжести заболевания. Существует также большой интерес к терапевтической эпигенетике. Несколько препаратов, таких как ингибиторы метилтрансферазы ДНК и ингибиторы гистондезацетилазы, уже используются при лечении рака.

       Применение эпигенетики для выявления и диагностики психических расстройств является новой и потенциально перспективной областью исследований. Несколько доказательств, полученных в результате таких исследований, показывают, что ген RELN , кодирующий релин, эпигенетически изменен у пациентов с психозом, что приводит к уменьшению экспрессии рилина ( Reelin) , который  представляет собой гликопротеин внеклеточного матрикса, который участвует в управлении нейронами и радиальными глиальными клетками до их правильного положения в развивающемся мозге и участия в нейропередаче, формировании памяти и синаптической пластичности даже во взрослом мозге .

Биомаркеры иммунной системы

       Рассматриваемые как гормоны иммунной системы, цитокины играют значительную роль в инфекции и воспалении и являются ключевыми сигнальными молекулами иммунной системы, которые оказывают влияние на ЦНС и иммунную систему. Модификации в цитокиновой сети могут быть связаны с патогенезом  нейропсихиатрических расстройств или даже с их этиологией. Существуют многочисленные гипотезы об аберрантных уровнях провоспалительных цитокинов в сыворотке, плазме и спинномозговой жидкости ( CSF)  у пациентов с шизофренией (SCZ)  и основными расстройствами настроения. 

         Известна гипотеза о диспропорции типа х хелпера типа 1 / Т-типа 2 (Th1 / Th2), впри которой увеличение периферических уровней in vivo интерлейкина-1RA (IL-1RA), растворимого интерлейкина-2R (sIL-2R) и IL-6 и снижение секреции IL-2 in vitro у пациентов с шизофренией (SCZ)  свидетельствуют о наличии воспалительного синдрома при SCZ. Kanba , Kato, 2014 заявили о гипотезе микроглии, согласно которой активированная в  ЦНС миорглия высвобождает провоспалительные цитокины и свободные радикалы, которые вызывают аномальный нейрогенез, деградацию нейронов и аномалии белого вещества, способствуя патогенезу  шизофрении. (SCZ). 

        Повышенная концентрация IL-6 у пациентов с SCZ и у пациентов с первым эпизодом, указывает на то, что аномалии иммунной системы могут быть эндофенотипом SCZ. Тем не менее, различие уровней IL-6 по сравнению с контрольными группами не было обнаружено у амбулаторных пациентов со стабильным приемом лекарственных средств и у пациентов с резистентным к лекарственным средствам психозом.  Для NFκB (увеличенный), iNOS (увеличенный), COX2 (увеличенный), IκBα (уменьшенный) и PPAR (уменьшенный), изменений,  сть свидетельства  об активном воспалительном ответе. В другом исследовании были активированы сети цитокинов IL-1, IL-6 и TNF у пациентов с SCZ и BD; однако только около половины исследователей смогли найти здесь активацию.