Команда исследователей Институтаизучения старения Российского геронтологического научно-клинического центра (РГНКЦ) Пиро- говского Университета в рамках государственного заданияведет разработку новой платформы анализамультимодальных омиксных биологических данных для поиска маркеров старения и фармакологических мишеней. О том, как будет работать эта уникальная система, рассказали ученые Пироговского Университета Михаил Спартакович Арбатский и АлексейВикторович Чуров.

Природа старения

Старение — исключительно сложный и многогран- ный процесс, которыйвключает в себя множество взаимосвязанных биологических механизмов. Каж- дый из этих механизмов регулируют многочис- ленные специализированные белки, микроРНК, факторы эндокринной системы. Надежда найти единственный рычаг для контролястарения не оставляет некоторыхисследователей, но веро- ятность этого весьма и весьма низкая, ведь уже понятно, что различные системы органов в одном организме стареют по независимым механизмам и с разной динамикой.

Сегодня сформирован список из 318 генов, которые определяют скорость и особенности возрастных изменений организма. Этот список «генов старе- ния», конечно, далеко не полон — научный прогресс постоянно приводитк обнаружению новых факто- ров. Анализировать совокупную работу «генов старения» и их влияние на организм — задача архисложная, требующая новых подходов.

Новый подход: диагональная интеграция мультиомиксных данных

Традиционно для анализа сложнокомпонентных систем используют интегральный анализ. Верти- кальная интеграция предполагает, что для одного объекта, например для конкретного человека, соби- рают самые разные данные: геномные,протеомные, метаболические. Это дает очень подробную и мно- гомернуюхарактеристику исследуемого организма. Горизонтальная интеграция работаетиначе: ана- лизируетсяодин тип данных, но для многих объек- тов, что помогаетнаходить общие закономерности в большой группе или популяции. Оба подхода активно применяются в лабораториях по всему миру. Но у них есть важный недостаток — узость фокуса. Первый метод глубоко изучает всего один объект, а второй — много объектов, но только по одному параметру.

Институт изучения старения — подразделение РГНКЦ Пироговского Университета, созданное в рамках программы развития «Приоритет-2030». Задачи подразделения связаны как с изучением фундаментальных основ старения, так и с разра- боткой подходов для ранней диагностики болезней старения и поискомболее эффективных подходов к борьбе с возрастзависимыми заболеваниями.

Учитывая комплексность процессов старенияи наличие множества механизмов старения (от мутации ДНК, дисфункции теломер, нарушения протеостазиса до развития воспаления — всего около 14 основныхмеханизмов), коллектив решил применить новый подход к интегральному анализу биологических данных о процессах старения — так называемую диагональную интеграцию, недавно описанную в ряде престижных журналов, включая Nature.

Этот метод кажется особенно перспективным, поскольку традиционные способы — вертикальный и горизонтальный — во многом уже исчерпалисвои возможности.

Научным коллективом было решено опробовать метод диагональной интеграции на биологиче- ском материале, собранном сотрудниками РГНКЦ. В распоряжении ученых имелись геномные данные, данные об активности генов в отдельных клетках (scRNA-seq), предоставленные научными рами материалы об активности генов и коротких РНК в тканевых образцах (bulkRNA-seq), а также результаты протеомных, липидомных и метабо- ломных исследований. Каждый из этих пластов информации отражает отдельный аспект жизнеде- ятельности клетки.

Задачи исследования

Была поставлена задача — объединить данные разныхуровней: от генетической информации до метаболических показателей, выстроив логические связи между ними,обнаружить новые взаимовли- яния и ключевые точки взаимодействия, сформи-

ровать более глубокое пониманиебиологических механизмов старения.

Кроме фундаментальной задачи исследова- ния механизмов старения, было запланировано несколько прикладных направлений. Во-первых, поиск новых биомаркеров старения — то есть объективных, измеримыхпоказателей (например, концентраций веществ в крови), отражающих глу- бинные биологические процессы, связанные со старением. Идентификация биомаркеров не только расширяет понимание природы старения, но и дает в руки врачей инструменты для контроля его ско- рости и динамики. Выявленные биомаркеры могут стать основойдиагностической системы для мони- торинга состояния здоровья пациента на фоне назначенной терапии, позволяющей оцениватьее эффективность.

Важное применение такой диагностической сис- темы — получение индивидуальных молекулярных профилей у пациентов с возраст-ассоциирован- ными заболеваниями, динамическое наблюдение за результатами их лечения. Такой подход позволяет выявлять нарушения, характерные для конкретного больного, а значит, назначать максимально персо- нализированную и точную терапию,что полностью соответствует современной концепции медицины.

Также биомаркеры могут быть использованы для развития и усовершенствования так называемых калькуляторов биологического возраста. Подобные инструменты оценивают на основе анализа мно- жества маркеров, чаще всего в крови, насколько интенсивно происходит старение организма у кон- кретного человека. Чтобы убедиться, что обнару- женные маркеры действительно имеют отношение к старению, исследователи планируют их проверку в реальных клинических ситуациях при динамиче- ском обследовании пожилых людей.

Другое направление — определение перспектив- ных фармакологических мишеней, то есть точек воздействия для будущихлекарственных средств, которые могли бы целенаправленно влиять на про- цесс старения.

Технологии и команда

Объем собранных научным коллективом пакетов информации по отдельности не является чрезвы- чайно большим по современным меркам. Геномные данные получены из 580 образцов. Транскриптом- ные — из несколькихдесятков образцов. Протеом-

ный анализ был проведен менее чем на десяти образцах. Метаболомные и липидомные исследо- вания проводились на нескольких сотнях образцов. Однако при совместном рассмотрении и интегра- ции этот массив информации достаточно объемен и сложен для анализа.

Конечнаязадача исследования состоит в том, чтобы разработать собственный математический аппа- рат анализа разноуровневых данных, основанный на биоцентрическом подходе (ориентированном на биологическую интерпретируемость результата анализа).

Важно отметить, что в команду проекта входят не только биоинформатики, но и профессиональ- ные математики, а также биологи. Такой междис- циплинарный состав — ключевое отличие от многих проектов, выполняемых исключительно специали- стами по анализу данных. Именно это сочетание компетенций позволяет ожидать, что полученные результаты будут не только статистически значи- мыми, но и биологически интерпретируемыми, то есть имеющими реальный научный смысл и прак- тическую ценность для понимания процессов старения.

На некоторых этапах исследования планируется применение искусственного интеллекта (ИИ). Раз- работка собственного аналитического инстру- ментария может включать элементы машинного обученияили же ограниченное использование ней- ронных сетей для решения конкретныхузких задач.

Коллективполностью осознает, что применение тех- нологий ИИ без должной научной и технической компетенции сопряжено с большими рисками полу- чения некорректных результатов, и будет подходить к вопросу привлечения ИИ с максимальной осто- рожностью и полной ответственностью.

Этапы реализации и планы на будущее

Исследование рассчитано на три года и разделено на несколько последовательных этапов. Первым шагом стало изучение научной литературы, а также анализ уже существующих методов объединения данных. Затем начался период сбора и подготовки информации для работы. Это потребовало времени, поскольку все данные были получены разными спо- собами, и нужнобыло восстановить всю сопрово- дительную информацию: источникбиоматериала, способ получения данных, клинические данные о сопутствующих заболеваниях.

Сейчас эти этапы уже завершены. Исследователи приступили к разработке программного обеспе- чения для интеграции данных, которое позволит стандартизировать обработку каждого пакета информации и затем объединить их в единую систему.Создание пробного программного модуля планируется завершить до конца года.

В течение следующихдвух лет предстоит проверка и тестирование написанного кода, а такжеинтер- претация выявленных закономерностей с точки зрения биологии. Ученые уверены, что оставше- гося времени достаточно для получения значи- мых результатов, которые помогут лучше понять процессы, связанные со старением. Разработчики предполагают, что технология, впервые объеди- нив информацию разных уровней биологического устройства организма— от генетического кода и белков до процессов обмена веществ, сможет усо- вершенствовать диагностику и лечение возраст- ных заболеваний. Такой подход позволитсоздать целостную картину состояния организма и выяв- лять нарушенияего функционирования на ранней стадии, когда симптомы еще отсутствуют.

Пироговский Университет – флагман медицинского образования в России

Пироговский Университет – это один из самых престижных медицинских вузов страны, где готовят высококвалифицированных специалистов для системы здравоохранения России. В нем успешно сочетаются передовые научные исследования, инновационные разработки и богатые традиции медицинского образования.

Преподаватели университета – это эксперты, увлечённые своей профессией и стремящиеся к развитию медицины. В 2024 году вуз стал участником программы «Приоритет 2030», представив три стратегических проекта: «Иммуномедицина», «Генотерапия» и «Нейротрофика». Эти направления не только отвечают на актуальные вызовы науки, но и определяют её будущее.

Сегодня в стенах университета создаются прорывные технологии и препараты для борьбы с тяжёлыми и редкими болезнями. Особый фокус – на персонализированной медицине, включая генную терапию, которая меняет подходы к лечению пациентов.

— Сергей Анатольевич Лукьянов, ректор Пироговского Университета, подчёркивает:

«Наш университет активно развивается благодаря научным достижениям, стратегическим инициативам и высочайшему уровню подготовки студентов. Мы укрепляем свои позиции в российских и международных рейтингах, создавая медицину будущего и воспитывая врачей нового поколения – компетентных, инициативных и социально ответственных».

— Георгий Гивиевич Надарейшвили, первый проректор – проректор по стратегическому развитию Пироговского Университета, отмечает:

«Пироговский Университет, как и другие топовые медицинские вузы, служит двигателем инноваций. Мы разрабатываем технологии, меняющие подходы к лечению и внедряемые в клиническую практику. Современная медицина развивается стремительно, и мы – активные участники этого процесса».

— Владислава Сергеевна Белякова, проректор по молодёжной политике Пироговского Университета, добавляет:

«Выбор медицинской профессии требует осознанности и готовности к постоянному росту. Важно не только осваивать теорию, но и развивать soft skills: работать в команде, выдерживать нагрузки. Для этого в университете есть все возможности – от спортивных и творческих секций до научных клубов и волонтёрских программ, помогающих студентам раскрыть свои таланты».

Пироговский Университет остаётся центром притяжения для будущих врачей и исследователей, прокладывая путь в новую эру медицины.

Больше новостей лучшего медицинского университета читайте в телеграм-канале: https://t.me/daily_2med