Международная исследовательская группа разработала инструмент вычислительной биологии, основанный на многоуровневом сетевом анализе, для достижения комплексного видения рассеянного склероза. Этот инструмент можно использовать для изучения других сложных заболеваний, таких как типы деменции.
Рассеянный склероз — это аутоиммунное заболевание неизвестной причины, которое возникает, когда иммунная система атакует головной и спинной мозг. Это сложное заболевание, которое не всегда легко диагностировать и охватывает широкий спектр биологических масштабов: от генов и белков до клеток и тканей, проходящих через весь организм.
Симптомы рассеянного склероза различаются у разных пациентов, но чаще всего они варьируются от проблем со зрением, астении, трудностей при ходьбе и удержании равновесия до онемения или слабости в руках и ногах. Все они могут появляться и исчезать или сохраняться с течением времени.
Исследование проводилось под руководством факультета медицины и наук о жизни (MELIS) Университета Помпеу Фабра в сотрудничестве с Hospital del Mar, Hospital Clínic, Медицинским университетом Шарите в Берлине и университетами Осло и Генуи. Исследование опубликовано в журнале PLoS Computational Biology .
Исследователи провели многоуровневый сетевой анализ мультиомных данных (геномных, фосфопротеомных и цитомических), изображений головного мозга и сетчатки, а также клинических данных 328 пациентов с рассеянным склерозом и 90 здоровых людей. На сегодняшний день это одно из первых исследований, в котором одновременно анализируются данные самых разных масштабов, охватывающие все: от генов до всего организма. Таким образом, новый инструмент позволяет исследователям понять сложность хронических заболеваний.
«В этом исследовании мы проанализировали сразу пять уровней: гены, белки, клетки, части мозга и поведение. Близость элементов каждого уровня у каждого человека определила связь между элементами внутри каждого уровня и между уровнями и «С помощью булевой динамики, рассматривая каждый элемент как активный или неактивный, а также внося возмущения в систему, мы заставили элементы сети колебаться», — говорит Хорди Гарсиа-Охалво, профессор системной биологии и директор Динамических систем. Лаборатория биологии факультета медицины и наук о жизни UPF.
«Таким образом, нам удалось определить, какие элементы разных уровней связаны на биологическом уровне».
«При сложных заболеваниях, как и в обществе, многие вещи происходят одновременно, и они делают это в разных масштабах и с течением времени. Поэтому людям, исследователям и врачам трудно визуализировать это, если не использовать эти типы инструментов, которые позволяют нам различать и идентифицировать связанные элементы», — говорит Пабло Виллослада, доцент кафедры медицины и наук о жизни UPF, директор программы нейронаук Исследовательского института больницы дель Мар и руководитель службы неврологии в Больница дель Мар, которая руководила исследованием вместе с Гарсией-Охальво.
Благодаря огромной способности сетей упрощать сложные данные им удалось выявить корреляцию между белком МК03, ранее связанным с рассеянным склерозом, с общим количеством Т-клеток, клеток иммунной системы, которые помогают бороться с инфекциями, толщиной слой нервных волокон сетчатки и тест походки на время, который измеряет время, необходимое пациенту, чтобы пройти 7,5 метров как можно быстрее.
Хотя размер исследования не позволил обосновать использование этой корреляции в качестве биомаркера для диагностики и, возможно, лечения рассеянного склероза, оно позволило комплексно взглянуть на эту сложную систему и выявить взаимосвязь между четырьмя биологическими масштабами: белками, клетками, клетками и т. д. ткани и поведение.
«При сложных заболеваниях очень сложно иметь генетические биомаркеры. Они часто определяются несколькими генами, и существует много «фонового шума». И здесь мы изучаем наборы генов, белков и фенотипов, и если они связаны друг с другом, у нас есть указание на существование заболевания», — добавляет Гарсия-Охалво.
«При рассеянном склерозе нам приходится собирать головоломку, аспект которой мы можем более или менее интуитивно понять. Мы не находимся в полной неведении, поэтому мы используем системную биологию , которая информирует нас о соответствующих отношениях между элементами, чтобы головоломка была решена. последовательно, подходит, и мы учимся. И как только мы узнаем, как действует болезнь, мы сможем узнать, как с ней бороться», — заключает Виллослада.
Этот инструмент, основанный на взаимосвязи фундаментальной биологии и прикладной медицины, может быть применен для изучения других сложных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и другие виды деменции.