Что такое молекулярный тест? Как его проводят? Применение при раке и других заболеваниях

Что такое молекулярный тест?

Молекулярные тесты проводят, получая образцы биологических материалов (например, DNA, RNA, белков или жиров), чтобы исследовать структуру и свойства этих материалов.

Эти тесты применяют при различных заболеваниях для диагностики, планирования лечения и наблюдения. Например, молекулярные диагностические тесты могут использоваться для поиска DNA вируса гриппа или коронавируса, чтобы определить, болен ли человек гриппом или COVID-19. Аналогичным образом эти тесты позволяют определить подтип рака, мутации, вызывающие рак, или пригодность таргетного препарата, исследуя DNA раковых клеток. Молекулярные тесты также часто применяют в аллергологии и иммунологии.

Значение молекулярных диагностических тестов для медицины заключается в том, что они дают очень чувствительные и точные результаты.

Молекулярные и генетические тесты — это одно и то же?

Молекулярные тесты нередко называют «генетическими тестами». Однако молекулярные и генетические тесты не полностью совпадают. Они могут использоваться для сходных целей, но исследуют различные биологические материалы и поэтому дают разную информацию. Например, молекулярные тесты могут изучать и такие биомаркеры, как молекулы белков и жиров. Генетические тесты исследуют генетическую структуру человека (DNA, RNA).

Виды молекулярных тестов

Молекулярные тесты используют множество различных методов для обнаружения молекул и усиления их видимости в образцах. Обычно эти образцы получают из слюны, крови или с помощью биопсии ткани.

Во многих ситуациях молекулярные тесты дают большую определённость. Например, мы используем их для выявления генетических изменений, характерных для определённого вида рака, что позволяет выбирать более направленное лечение. Молекулярный тест ищет участки DNA или RNA, связь которых с определёнными состояниями здоровья известна, и при правильном выполнении даёт точные результаты. В некоторых случаях пациентам с предварительным диагнозом впоследствии устанавливают окончательный диагноз с помощью молекулярных тестов. 

Существует множество различных методов молекулярного тестирования:

• Полимеразная цепная реакция (Polymerase chain reaction, PCR): этот метод размножает нужные участки DNA в биологических образцах. PCR — очень быстрый и чувствительный метод, лежащий в основе многих молекулярных тестов.

• Секвенирование нового поколения (Next Generation Sequencing, NGS): этот метод определяет полную нуклеотидную последовательность образца DNA. Это крайне важное направление исследований, например для выявления генетических мутаций и построения эволюционных деревьев биологических образцов.

• Саузерн-блоттинг (Southern blotting): этот метод позволяет разделить DNA с помощью электрофореза, а затем обнаружить определённый её участок. Саузерн-блоттинг применяют для выявления генетических мутаций и хромосомных аномалий.

• Вестерн-блоттинг (Western blotting): этот метод позволяет разделить белки с помощью электрофореза, а затем обнаружить полосы определённого белка. Вестерн-блоттинг используют для определения уровня экспрессии или модификаций белков.

• Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH): этот метод используют для определения наличия или расположения определённого гена в клетках образца. Тест FISH выполняют с помощью нуклеотидов с флуоресцентными метками, изготовленных в соответствии с последовательностью DNA гена, для которого разработан тест. Эти нуклеотиды связываются с DNA целевого гена, после чего их исследуют под микроскопом, излучающим специальный свет. Так можно определить наличие или расположение целевого гена.

• Масс-спектрометрия: этот метод определяет молекулярную структуру вещества, измеряя массы входящих в него атомов. Это позволяет установить соотношения различных атомов в веществе и получить информацию о строении молекулы.

• Спектроскопия NMR (ядерного магнитного резонанса): этот метод определяет молекулярную структуру вещества, измеряя магнитные свойства его атомов. Это позволяет установить расположение различных атомов в веществе и получить информацию о строении молекулы.

При каждом из методов специалисты берут образец из организма, а затем делают молекулы более заметными. После этого специалист исследует образец под микроскопом или с помощью специального биомедицинского оборудования и оформляет заключение.

Зачем назначают молекулярные тесты?

Специалисты используют молекулярные тесты, чтобы получить больше информации при постановке диагноза и прогнозировать результаты. Эти тесты выполняют множество задач, в том числе:

• Оценка риска различных заболеваний
• Подтверждение наличия определённых инфекций, не выявляемых традиционными лабораторными методами
• Генетическое консультирование беременных или планирующих беременность
• Помощь в принятии решений о лечении
• Оценка того, насколько хорошо человек может ответить на препарат
• Диагностика подтипов определённых видов рака, например молочной железы, лёгкого и толстой кишки

Пример молекулярного теста, часто используемого при раке: HER2 FISH

Тест HER2 FISH— метод молекулярной биологии для обнаружения избыточной продукции гена HER2 в клетках рака молочной железы. HER2 — ген, обеспечивающий синтез белка и присутствующий в ткани молочной железы. В нормальных условиях продукция гена HER2 регулируется и сбалансирована. Однако в некоторых случаях наблюдается избыточная продукция гена HER2, которая приводит к быстрому росту и размножению клеток. Это может способствовать возникновению рака молочной железы.

Тест HER2 FISH выполняют с помощью нуклеотидов с флуоресцентными метками, изготовленных в соответствии с последовательностью DNA гена, для которого специально разработан тест. Эти нуклеотиды связываются с DNA целевого гена, после чего их исследуют под микроскопом, излучающим специальный свет. Это позволяет обнаружить избыточную продукцию (гиперэкспрессию) белка HER2 — продукта гена HER2. Тест HER2 FISH используют для диагностики рака молочной железы и выбора лечения. Например, у пациентов с выявленной избыточной продукцией гена HER2 более высокую эффективность показывает применение таргетных препаратов, направленных на HER2.

Что необходимо для молекулярных тестов?

Для каждого теста необходим образец, полученный у соответствующего человека. Например, тесты на COVID-19 ищут специфичные для коронавируса антигены в носовом и респираторном секрете. Антигены обычно находятся на поверхности вирусов.

Для молекулярных тестов могут использоваться следующие образцы:

• Фрагмент опухоли, полученный при биопсии
• Кровь
• Биологические жидкости, например секрет дыхательных путей
• Амниотическая жидкость

2 основных класса молекулярных тестов

Молекулярные тесты быстро развиваются, а их число растёт. Например, PCR-тесты на COVID-19 — это вид молекулярных тестов, быстро разработанный учёными для борьбы с пандемией COVID-19.

В целом молекулярные тесты делятся на две широкие категории, каждая из которых имеет множество подтипов:

1. Секвенирование и исследование генома
2. Генетические биомаркеры

Секвенирование и исследование генома

Секвенирование генома включает полный или частичный анализ генетического материала клетки для поиска определённых генов или изменений в них. Гены состоят из DNA и содержат инструкции для синтеза клеткой белков. Секвенирование генома также позволяет оценить, является ли человек носителем гена определённого заболевания. Это распространённый вид тестирования во время беременности или её планирования.

Ещё одно применение секвенирования генома — помощь в прогнозировании реакции человека на определённые лекарства. Например, носители определённых генов могут плохо отвечать на некоторые препараты или иметь более высокий риск определённых аллергических реакций.

Преимущества и недостатки молекулярных тестов

Этот вид тестирования имеет множество преимуществ, в том числе:

• Прогнозирование: если человек является носителем генов определённых тяжёлых или потенциально опасных для жизни заболеваний, это может помочь в планировании семьи.
• Решения о лечении: человек с повышенным риском определённых заболеваний может на основе этих сведений строить долгосрочные планы или менять образ жизни для снижения риска. Исследование различных генетических вариантов, связанных с раком, может помочь выбрать подход к скринингу рака молочной железы.
• Другие применения: некоторые люди обращаются к молекулярным наследственным тестам, чтобы узнать о возможных наследственных заболеваниях в своём роду или из интереса к своему генетическому наследию.

Есть и некоторые недостатки:

• Надёжность: надёжность теста может различаться, особенно при исследовании наследственных генетических особенностей. Тесты, определяющие генетические факторы риска, не гарантируют, что человек заболеет, и могут вызывать ненужную тревогу.
• Принятие решений: принимать решения на основе генетической информации бывает трудно. Например, узнав, что вероятность опасного для жизни заболевания у ребёнка составляет 50%, человек может оказаться перед решением о продолжении или прерывании беременности.
• Доступность: доступ к молекулярным тестам может быть ограничен из-за их высокой стоимости и отсутствия страхового покрытия.
• Конфиденциальность: выбор неаккредитованных и не контролируемых компаний для генетического тестирования может поставить под угрозу конфиденциальность генетических данных.

Генетические маркеры

Другой вид генетического тестирования ищет генетические биомаркеры инфекций или других заболеваний. Вместо секвенирования генома человека эти тесты проверяют наличие встроенных генетических сигналов, тесно связанных с предполагаемым заболеванием.

PCR-тест на COVID-19 — один из примеров. Он ищет генетический материал вируса, вызывающего COVID-19.

В онкологии генетическое тестирование также проводят для определённых типов раковых опухолей. Различные генетические сигнатуры могут дать информацию о типе рака и о том, какое лечение с большей вероятностью окажется эффективным.

Главное преимущество исследования генетических биомаркеров — высокая вероятность точного результата. В некоторых случаях такие тесты подтверждают диагноз. Кроме того, они помогают специалистам принимать обоснованные медицинские решения или точнее выбирать лечение.

Каковы недостатки исследования генетических маркеров?

• Доступность: молекулярные тесты обычно дороже и менее доступны. Например, генетические тесты при раке стоят больше и требуют больше времени для получения результатов. Аналогично PCR-тест на COVID-19 дороже домашних антигенных тестов и даёт результат позднее. Кроме того, не всем пациентам подходят все молекулярные тесты.
• Надёжность: молекулярные тесты на заболевания и инфекции обычно точны, но ни один тест не обеспечивает 100% надёжности.
• Проблемы с образцами: полученного образца может оказаться недостаточно для тестирования, что препятствует исследованию, например если биопсия не дала достаточного количества ткани.

Молекулярные тесты и COVID-19

Тесты полимеразной цепной реакции (PCR) — один из наиболее точных и широко используемых видов молекулярных тестов для выявления COVID-19. Они ищут диагностический генетический материал, специфичный для вируса, а затем размножают этот небольшой фрагмент вирусной DNA для лабораторного подтверждения. Получение результата такого теста обычно занимает несколько дней.

Чем отличаются антигенные и молекулярные тесты на Covid-19?

Антигенные тесты ищут вирусные белки. Эти белки легче обнаружить, и тесты могут быстро дать положительный или отрицательный результат. PCR-тесты ищут вирусный генетический материал, а затем размножают его, чтобы диагностическая технология могла подтвердить наличие вируса. Такие тесты более чувствительны и сложны. Они могут обнаружить вирус до появления симптомов или заразности.

Что такое молекулярный тест на аллергию?

Молекулярный тест на аллергию используют для определения чувствительности человека к определённому аллергену (аллергены — вещества, способные вызывать аллергию в организме). Например, после укуса неизвестного насекомого молекулярный тест на аллергию можно использовать, чтобы определить, какое именно насекомое укусило человека.

Для молекулярных тестов на аллергию обычно берут образцы крови или материал из носа. Например, можно получить образец носовой слизи и искать в нём аллергены. Аналогично можно взять образец крови и искать аллергены в нём. Определяя наличие чувствительности к определённому аллергену, эти тесты помогают установить причины симптомов аллергии.

Часто задаваемые вопросы о молекулярных тестах

Как молекулярные тесты помогают в лечении рака?

Молекулярные тесты могут помочь выбрать лечение для некоторых онкологических пациентов. Однако они полезны не во всех случаях, например:

• Если невозможно получить биопсию ткани
• Если биопсийного образца недостаточно

Вместе с тем при недостаточном количестве ткани в онкологии всё шире начинают использовать жидкостную биопсию (по крови, жидкости).

Иногда даже если молекулярные тесты указывают на определённый вид лечения, нет гарантии, что оно будет эффективно лечить рак.

Что такое секвенирование нового поколения (NGS, Next Generation Sequencing)?

Секвенирование нового поколения — высокоскоростной вид молекулярного тестирования, позволяющий одновременно определять последовательности множества различных участков DNA. Он чувствительнее и надёжнее классических методов. Кроме того, секвенирование нового поколения выявляет более мелкие генетические вариации и даёт более полное представление о геноме человека и его генетических факторах риска.

Сегодня NGS стало наиболее надёжным и широко используемым молекулярным тестом в генетических исследованиях рака.

Насколько точны молекулярные тесты?

Точность молекулярного тестирования зависит от конкретного теста. В целом они точны, но не совершенны. Например, статья 2019 года, сравнивавшая несколько различных молекулярных тестов на COVID-19, сообщала следующее:

• Обобщённая чувствительность тестов составляла 95,9%, что означает очень небольшое число ложноотрицательных результатов.
• Обобщённая специфичность составляла 97,2%, что означает очень небольшое число ложноположительных результатов.
• Некоторые тесты были менее точными: общий диапазон чувствительности составлял от 80,5% до 96,6%.

Лаборатория обычно определяет точность теста, измеряя чувствительность и специфичность. Высокие значения обоих показателей означают, что тест способен правильно определять людей с определённым заболеванием и без него.

Молекулярное исследование генома бывает сложным, а выявление более мелких мутаций и генетических изменений обычно труднее. Самые распространённые методы выявляют лишь небольшое число генетических нарушений.

Резюме

Молекулярный тест — вид генетического исследования, предоставляющий важную информацию о геноме человека. Он также может выявлять признаки определённых инфекций и генетических заболеваний на основе уникальных генетических особенностей, вызывающих различные болезни. Эта область быстро развивается по мере появления новых методов молекулярного тестирования.

Генетическое секвенирование развивается благодаря технологиям секвенирования нового поколения. Однако важно понимать ограничения молекулярного тестирования. Это особенно относится к видам генетических тестов с ограниченной определённостью, например пренатальным тестам.