Замороженный арсенал
Коллекции биоматериалов человека и Big Data помогают в разработке новых способов диагностики и лечения тяжелых заболеваний
Биобанк Сеченовского университета более семи лет собирает и хранит биологические материалы человека. Коллекция из 250 тыс. биообразцов стала ресурсной базой для проведения фундаментальных и прикладных исследований, доступ к которой имеют как ученые университета, так и специалисты других клинических и исследовательских центров. Также в их распоряжении — цифровая платформа больших медицинских данных, в которую загружено более 20 млн уникальных медицинских документов и обезличенных данных о пациентах.
Фото: Елена Емышева
Фото: Елена Емышева
Биоресурсная коллекция
Биобанк для сбора и хранения биоматериалов был создан Сеченовским университетом в 2017 году на базе Института регенеративной медицины Научно-технологического парка биомедицины (НТПБ). В его состав входят криохранилище, лаборатория и компьютерная сеть с базой данных. Сегодня биобанк включает около 250 тыс. образцов крови, мочи, слюны, тканей и др. Из них более 150 тыс.— ежедневно пополняемая коллекция образцов, ассоциированных с клинической информацией, остальное — частные коллекции, собранные клиницистами и партнерами университета, рассказывает директор Биобанка Анна Семина.
Образцы поступают в коллекцию из шести больниц Клинического центра университета, логистику осуществляет Центральная лабораторно-диагностическая служба, строго соблюдающая требования к перевозке биологических объектов. В Биобанке образцы регистрируются, обрабатываются и закладываются на длительное хранение в специальные морозильники или в жидкий азот. Температура хранения образцов — от –60°C до –196°C.
Работа Биобанка строится на принципах добровольности, конфиденциальности и стандартизации. Пациент подписывает добровольное информированное согласие, ему присваивается уникальный код-идентификатор, под которым в базе банка хранятся все записи о нем и образцах. Исследователь получает только этот код и клиническую информацию (пол, возраст, диагноз и т. д.), подчеркивает директор Биобанка. В течение 25 лет на любом этапе пациент имеет право отказаться от участия, тогда все его образцы уничтожатся — это требование ГОСТа по биобанкам.
Биобанк сотрудничает как с учеными университета, так и со специалистами других центров. Как правило, это совместные научно-исследовательские проекты по изучению какого-либо заболевания или разработке новых методов диагностики.
Образцы Биобанка составляют абсолютно уникальную коллекцию, но особую ценность представляют биоматериалы пациентов с орфанными (редкими) заболеваниями, такими как болезнь Ходжкина, болезнь Вильсона—Коновалова, болезнь Бехчета и многими другими. Особенность этой коллекции в том, что такие пациенты встречаются крайне редко и для ее набора требуется длительное время и совместная работа с другими биобанками и клиниками. На сегодняшний день собрано более 21 тыс. образцов от 3,5 тыс. таких пациентов. Многие из них сдавали биоматериал неоднократно, что позволяет изучать их заболевание в динамике.
База для исследований
Основная идея биобанков — поддержка исследований, для которых требуются биообразцы большого количества людей, биоресурсные коллекции используются для разработки инновационных диагностических систем, новых подходов в лечения заболеваний, в том числе генетических, отмечает научный руководитель НТПБ Петр Тимашев.
Первое большое исследование с использованием базы Биобанка было посвящено взаимосвязи количества микроэлементов в крови с тяжестью протекания коронавирусной инфекции. Результаты этой работы были опубликованы в 2021 году. А формировать коллекцию образцов крови больных COVID-19 начали в 2020 году, когда в университетские клиники стали поступать первые пациенты. Исследования, связанные с коронавирусной инфекцией, не потеряли своей актуальности до сих пор, говорит Петр Тимашев: различные группы ученых регулярно запрашивают в Биобанке образцы крови для изучения изменений ее состава в зависимости от штамма вируса.
Сегодня Биобанк обеспечивает материалом исследования, связанные со злокачественными новообразованиями, сотрудничает с эндокринологами, стоматологами и кардиологами, начинает сбор коллекции для неврологов и нефрологов.
По словам Петра Тимашева, уже завершены клинические исследования нового продукта, с помощью которого на основе анализа метаболома и рутинных анализов крови искусственный интеллект сможет определять риск развития восьми видов онкозаболеваний, включая рак почки, легкого и колоректальный рак. Этот продукт создан в рамках развития научного центра мирового уровня «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение», открытого в университете в 2020 году. В стадии разработки находятся еще несколько аналогичных продуктов, предназначенных для диагностики и выбора тактики лечения онкозаболеваний.
Новые направления
Год назад университет начал собирать первую в России биоресурсную коллекцию слюны. С ее помощью можно исследовать маркеры онкологических, аутоиммунных, сердечно-сосудистых и эндокринных патологий.
В нынешнем году запущено три новых направления: ликвор (спинномозговая жидкость), кровь из пуповины и кишечная микробиота. Проект по сбору кишечной микробиоты стартовал совсем недавно, но уже собрано около 100 образцов. По словам Петра Тимашева, с микробиотой связано множество научных исследований — в частности, изучается ее связь с ожирением, способностью кожи к регенерации. С другой стороны, сегодня значительно сокращается разнообразие микробиоты в организме человека, и очень важно создать биобанк микроорганизмов для того, чтобы в будущем иметь возможность восстановить это разнообразие, считает эксперт.
Коллекция стволовых клеток, выделенных из пуповинной крови, создается совместно с Сеченовским центром материнства и детства. По плану к концу года коллекция должна составить 300 образцов, уже собрано 189. «Это очень перспективное направление: пуповинная кровь, которая используется для создания биомедицинских клеточных продуктов — мощнейшего инструмента для лечения многих патологий, в том числе отоларингологических, заболеваний опорно-двигательного аппарата, повреждений скелетной ткани»,— говорит Петр Тимашев. Кроме того, сегодня для лечения ряда заболеваний все шире применяются собственные клетки и еще больше возрастает роль Биобанка, способного в течение длительного времени ответственно хранить и поддерживать жизнеспособными биообразцы.
В ближайших планах — сбор коллекции биоматериала здоровых людей. «Популяционные биобанки очень важны для ретроспективных наблюдений, исследований прогностического характера,— говорит Петр Тимашев.— Возможность отслеживать донора на протяжении долгого времени позволяет в случае развития какого-то заболевания оценивать изменения показателей и открывать закономерности. Результаты таких исследований позволят прогнозировать риск развития заболевания задолго до его начала». Кроме того, сравнение показателей здоровых и больных людей — еще один способ выявлять ранние маркеры заболеваний.
Ретроспективные исследования очень времязатратны и сложны технологически, кроме того, чувствующий себя здоровым человек обычно не обращается в медучреждение. В университете нашли оригинальное решение: готовится к запуску проект, связанный с биохакингом, предоставлять свой биоматериал в Биобанк готовы люди, регулярно проходящие чек-апы.
Цифровая трансформация
Следующим этапом развития биобанкинга в Сеченовском университете станет создание цифровой платформы, которая позволит связать биообразцы с результатами КТ, МРТ, ЭКГ и другими клиническими данными пациентов. На основе связанных с биообразцами датасетов ученые смогут, в частности, разрабатывать системы поддержки принятия врачебных решений.
По словам Анны Семиной, для оцифровки части биоматериалов достаточно стандартного лабораторного оборудования: спектрофотометра, проточного цитометра, счетчика клеток. Для других же, например для гистологических срезов, используются высокотехнологичные сканеры, позволяющие сфотографировать образец среза ткани в высоком разрешении. «Формируется максимально разнообразное количество цифровых данных, которые затем можно объединить и составить, так называемый цифровой двойник заболевания. А это уже шаг к персонифицированной медицине»,— говорит эксперт.
Кроме того, внедряется программное обеспечение по управлению биообразцами и совместному проектному управлению, позволяющее ученому в любом подразделении университета отследить динамику набора коллекции, а также добавить результаты эксперимента в режиме реального времени.
Такое стало возможно благодаря созданной в университете первой в России платформе больших медицинских данных. На сегодняшний день сюда загружены 20 млн уникальных медицинских документов и обезличенных данных о пациентах, платформа использует более 150 параметров поиска данных, а на выгрузку датасета требуется всего 10 секунд. Платформа помогает исследователям, врачам и студентам проводить научные исследования, оценивать эффективность методов лечения на разных группах пациентов, а IT-командам — создавать сервисы искусственного интеллекта в области здравоохранения.
«Наша платформа — первая в России мультиформатная биомедицинская платформа с возможностью искать в едином окне тексты медицинских заключений, результаты КТ, МРТ, рентгеновские снимки, результаты лабораторных анализов и многие другие данные, необходимые для работы врачей и исследователей,— говорит директор департамента развития клинических и образовательных проектов Сеченовского университета Валерия Кузоватова.— Важной задачей было организовать постоянное обновление данных, в чем помогла облачная архитектура решения, созданная совместно с Yandex Cloud». Решение разработала и внедрила компания Beltel Datanomics, эксперт в области аналитики Big Data и искусственного интеллекта. Система защиты информации выстроена в соответствии с политикой информационной безопасности университета.
«Благодаря платформе мы сможем на несколько порядков быстрее собирать данные для научной деятельности, образовательной работы, написания статей,— говорит проректор по цифровой трансформации университета Алексей Аносов.— То, на что раньше уходили месяцы кропотливой работы в архивах, теперь можно сделать меньше чем за минуту. Мы рассчитываем, что в будущем другие медорганизации смогут подключаться к платформе, чтобы обмениваться данными и делать научные открытия. А также готовы делиться датасетами с научным сообществом и разработчиками сервисов искусственного интеллекта».
В Центре цифровой медицины университета разработаны автоматизированные системы работы с данными: Sechenov.DataLake для формирования датасетов и Sechenov.AutoML для автоматического построения моделей по различным методам машинного обучения и выбора моделей с лучшими характеристиками точности. «Возможность доступа к мультиформатным медицинским данным в комбинации с инструментами их обработки уже сегодня позволяют исследователям и врачам без навыков программирования выявлять закономерности и строить прогностические модели,— поясняет Валерия Кузоватова.— Уже сегодня экспертами университета совместно с индустриальными и технологическими партнерами разрабатывается ряд систем поддержки принятия врачебных решений с применением генеративного искусственного интеллекта для различных направлений медицины, которые призваны помочь врачам в их ежедневной практике».