Перспективы биобанкирования для биомедицинских исследований в области эндокринологии

Введение

Биобанк, или биорепозиторий, согласно глоссарию Национальной ассоциации биобанков и специалистов по биобанкированию (НАСБИО), представляет собой организацию, которая может принимать, обрабатывать, хранить и распространять биологические образцы и ассоциированные с ними данные для текущих и будущих исследований, диагностики и терапии в соответствии со стандартными операционными процедурами (СОП) [1]. Привлечение ресурсов биобанков расширяет возможности выполнения научных проектов для всего научного сообщества и повышает доступ к высококачественным образцам и ассоциированным с ними данным. Биорепозитории различаются по целям создания, видам хранящегося биоматериала, принципам организации, финансирования и ряду других характеристик. Наиболее распространенной классификацией биобанков является классификация Европейского консорциума по инфраструктуре биобанков и исследований биомолекулярных ресурсов (BBMRI-ERIC — Biobanks and Biomolecular Resources — European Research Infrastructure Consortium): популяционные и болезнь-ориентированные (нозологические) биобанки [2]. Популяционные биобанки предполагают сбор материала в рамках многоцентровых когортных исследований с охватом большой популяции с относительно лояльными критериями включения и невключения. При этом целью является изучение возможного влияния внутренних (например, этнической принадлежности, возраста, пола) и внешних (образа жизни, среды проживания и др.) факторов на развитие заболеваний. Нозологические биобанки создаются для детального изучения конкретных заболеваний, углубления знаний об их патогенезе, поиска новых прогностических маркеров и терапевтических мишеней [3].

В научных проектах эндокринологического профиля все чаще используются материалы биорепозиториев. Именно биобанки позволяют соблюдать требования, предъявляемые к качеству биоматериала, размеру выборки, организации преи аналитического этапов исследований. Единые правила сбора, обработки, хранения образцов способствуют повышению воспроизводимости результатов научных исследований, обеспечивают быстрое внедрение в клиническую практику, а также расширяют возможности для разработки ранней эффективной диагностики и создания новых методов терапии социально значимых заболеваний, таких как сахарный диабет (СД), и более редких эндокринных патологий.

Однако описанная в литературе информация по биобанкированию в эндокринологических биомедицинских исследованиях представлена кратко и разобщенно, поэтому целью настоящего обзора стала систематизация знаний в области применения потенциала и методологии биобанкирования в биомедицинских исследованиях в области эндокринологии.

Актуальность биобанкирования в эндокринологии

Получение репрезентативных выборок. С позиций персонализированной медицины актуальным становится изучение этиологии и патогенеза заболеваний на молекулярно-генетическом уровне [4]. В частности, имеется высокий интерес к генетическому анализу и разработке шкал генетического риска некоторых форм СД, неалкогольной жировой болезни печени, ожирения и других эндокринопатий [5]. Однако поиск генетических предикторов требует организации масштабных когортных исследований, что может успешно решаться благодаря сотрудничеству с крупными биобанками [5]. Примером такого сотрудничества является работа Zhu J, et al. (2021), где оценивались генетические факторы риска аналога синдрома поликистозных яичников у мужчин. Анализ генетических данных 176360 мужчин исследовательской когорты из UK Biobank и 37348 мужчин репликационной когорты из Биобанка Эстонии показал, что генетические факторы риска синдрома поликистозных яичников имеют фенотипические проявления у мужчин, указывая на их независимое от функции яичников действие. Авторы подчеркивают, что полученные результаты могут сыграть важную роль в понимании механизма развития данного синдрома у женщин [6]. В другом исследовании Parna K, et al. (2020) для валидации оценки дважды взвешенного генетического риска (doubly weighted genetic risk score, dwGRS) как инструмента прогнозирования развития СД 2 типа, использовали генетические данные 34 тыс. человек из когорты Биобанка Эстонии и 12 тыс. человек из исследовательской когорты Lifelines Cohort Study (Lifelines), включавшей >167 тыс. человек, проживающих на севере Нидерландов [7]. Когорты Биобанка Эстонии и Lifelines набирались в период с 2002 по 2011гг и с 2006 по 2013гг, соответственно. Анализ полученных данных показал, что dwGRS является эффективным инструментом в стратификации риска развития СД 2 типа независимо от фенотипических факторов [7]. Таким образом, биобанкирование значительно ускоряет проведение крупных биомедицинских исследований, сокращая временные затраты на этап сбора, который может длиться годы или десятилетия, а в дальнейшем позволяет повысить внедряемость результатов в реальную клиническую практику.

Оптимизация преаналитического этапа. Перед исследователем стоит задача оптимизации преаналитического этапа работы: требуется определить минимальный набор выборки и накопить необходимое количество образцов. Однако в эндокринологических проектах часто возникает проблема удлинения преаналитического этапа исследования, т.к. некоторые эндокринные патологии встречаются достаточно редко. В частности, распространенность акромегалии составляет 5,9/100 тыс. населения, а заболеваемость — 0,38 случаев/100 тыс. населения в год [8]. Распространенность феохромоцитомы в мире составляет от 1,4 до 8 случаев/1 млн населения, заболеваемость — 6,6 случаев/1 млн [9][10]. Таким образом, в течение года в медицинском учреждении, которое не является профильным федеральным центром, новые пациенты с относительно редкими патологиями появляются, в среднем, до 10 человек, при условии охвата территории в масштабах не меньше региона или расположения в крупном городе с населением до 1 млн человек. Выходом может стать планирование многоцентровых исследований с формированием биоресурсной коллекции (БРК) по стандартизированным требованиям.

Повышение качества исследований. Нестабильность исследуемых веществ в собранных образцах, например, гормонов и их метаболитов, вызывает значительные сложности при проведении эндокринологических исследований. Hawley J, et al. (2020) оценивали изменение концентрации тестостерона, андростендиона, 17-гидроксипрогестерона, 11β-гидроксиандростендиона и 11-кетотестостерона в образцах крови спустя 2, 8, 12, 24, 48, 72 ч после их получения по сравнению с концентрацией, измеренной непосредственно после взятия крови [11]. В результате было выявлено значительное повышение концентрации аналитов при увеличении временно́го интервала до лабораторной оценки.

Уже на этапе сбора биологического материала остро встает вопрос о строгом соблюдении всех требований, относящихся к работе с биообразцами: объем биоматериала, подбор оборудования, температурный режим, временные промежутки каждого преаналитического этапа [12]. Это важно для минимизации погрешности и получения достоверных, воспроизводимых результатов, в связи с чем партнерство с биорепозиториями в рамках эндокринологических исследований является оптимальным решением. Деятельность биобанков регулируется рядом нормативных документов и международных стандартов [3][13][14]. Но логистика в рамках каждого биорепозитория может быть различной. В связи с этим, помимо общих регламентов, в каждом биобанке разрабатываются собственные СОПы. Локальные СОПы основываются на международных рекомендациях и требованиях, но учитывают частные особенности функционирования хранилищ [14]. Например, специалистами Консорциума по изучению хронического панкреатита, диабета и рака поджелудочной железы (Consortium to study Chronic Pancreatitis, Diabetes and Pancreas Cancer, CPDPC) были созданы подробные СОПы для биорепозиториев, с которыми осуществлялось сотрудничество в научных проектах Консорциума [15].

Снижение стоимости исследований. Организация клинических и биомедицинских исследований является дорогостоящей областью: по данным за 2016г средняя стоимость клинического исследования в США составляла 1,3-1,7 млрд долларов [16]. Тем не менее, проведение клинических исследований в эндокринологической практике имеет высокую актуальность. Только в Китае в период 2010-2019гг было организовано 861 клиническое исследование препаратов для лечения эндокринных и метаболических нарушений, и с каждым годом количество регистрируемых исследований увеличивается [17]. В среднем, ≥30% от общей стоимости проекта занимают рекрутинг пациентов, взятие биоматериала, оплата труда среднего медицинского персонала и врачей, затраты на аренду помещения, которое посещают пациенты [16]. Возможным вариантом снижения подобных затрат для ряда эндокринологических биомедицинских исследований может стать использование образцов из БРК.

Виды биоматериала для эндокринологических исследований

В эндокринологических исследованиях материалом для анализа служат образцы компонентов крови, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), выделенной из цельной крови, а также образцы мочи, тканей поджелудочной и щитовидной желез (ЩЖ), почек, периферических нервов и т.д. Дизайн подобных исследований часто включает биобанкирование (таблица 1).

Взаимодействие исследователей с биобанками

Сотрудничество исследователей с биобанками в эндокринологических проектах может иметь различные формы [3]. Некоторые биобанки предоставляют широкий спектр услуг: сбор биологического материала, обработку, аликвотирование, хранение, проведение лабораторного анализа, а также работу с базами данных и коллекциями образцов. Взаимодействие ученых с такими организациями возможно как в рамках конкретного этапа исследования, так и на всем его протяжении в виде полного цикла. В России примерами подобных биобанков служат компания "Национальный БиоСервис"¹ и ресурсный центр "Центр Биобанк" на базе Санкт-Петербургского государственного университета². Один из ключевых проектов "Центра Биобанк" находится на стыке эндокринологии и онкологии — проект по созданию биобанка и изучению молекулярно-генетических особенностей опухолей ЩЖ методом секвенирования нового поколения (next generation sequencing, NGS)³.

Распространенным вариантом сотрудничества исследователей и биорепозиториев является предоставление доступа к накопленным коллекциям биобанков [3]. Крупные научные коллективы Великобритании обращаются к коллекциям образцов, хранящихся в UK Biobank. Например, Fussey J, et al. (2020) анализировали влияние ожирения и СД 2 типа на риск развития рака ЩЖ [29]. Исследование основывалось на результатах генотипирования, проведенного после экстракции ДНК из образцов цельной крови, хранившихся в UK Biobank [29][30]. Выборка для данного проекта составила 379 тыс. человек [29]. В результате исследования не было обнаружено статистически значимой связи между ожирением, СД 2 типа и развитием рака ЩЖ.

Также возможен вариант взаимодействия исследователей с биобанком, являющимся структурной единицей медицинского центра. Примером успешного включения биобанка в инфраструктуру лечебного учреждения является биобанк клиники Mayo (USA). В этом биобанке хранятся образцы биологического материала >50 тыс. человек [31]. Sharma A, et al. (2017) на базе биобанка Mayo изучали взаимосвязи между нарушением действия инсулина и дисфункцией альфа-клеток поджелудочной железы, определяемой по выходящим за пределы референсных значений концентрации глюкагона в венозной крови, у пациентов с предиабетом [22].

Примеры эндокринологических биобанков

Отмечается тенденция к развитию специализированных эндокринологических биорепозиториев, например, диабет-специфичный биобанк, организованный на базе Collaborative Research Center (CRC) 1118 в Гейдельбергском университете [26]. В данном репозитории создаются коллекции образцов тканей почек и нервов, полученных от больных СД, а также образцы сыворотки, плазмы и клеточной фракции крови, мочи, собранных у пациентов с СД, предиабетом и у здоровых лиц. Основной целью данного биобанка стало изучение роли реактивных метаболитов (активных форм кислорода, карбонильных соединений и др.) в возникновении поздних осложнений СД и разработка таргетной терапии [26].

Другой пример — биобанк Исследовательского института эндокринологии и метаболизма в Иране. В данном биобанке хранятся образцы, полученные не только от пациентов с эндокринной патологией, но и с другими хроническими неинфекционными заболеваниями. На базе института планируется создание банка опухолей, где будут собраны образцы эндокринных неоплазий, преимущественно рака ЩЖ [32].

Один из масштабных проектных биобанков был создан в рамках международного исследования генетики и патогенеза СД 1 типа — T1DGC (the Type 1 Diabetes Genetics Consortium), длившегося с 2004 по 2010гг. В проект были включены >3 тыс. семей по всему миру. Было организовано централизованное хранилище биообразцов с возможностью увеличения коллекции за счет длительного проспективного наблюдения [33]. Так, в 2017г на основе T1DGC когорты исследовалась роль протективных гаплотипов главного комплекса гистосовместимости (Human Leukocyte Antigen, HLA) и гаплотипов HLA высокого риска в развитии СД 1 типа — существенных различий между носителями указанных гаплотипов обнаружено не было [34]. В 2021г были опубликованы результаты исследования распространенности моногенного СД, диагностированного как СД 1 типа, среди семей, включенных в T1DGC [35].

Существуют примеры проектных биобанков, созданных на национальном уровне. Их целью является поиск прогностических маркеров осложнений СД, генетических особенностей пациентов и возможных точек приложения для таргетной терапии при проведении крупных когортных исследований [18][19][36][37]. Примерами таких исследований являются "The Diabetes Pearl" — проект, реализованный в Нидерландах (2009-2015гг), включивший когорту 7 тыс. лиц с СД 2 типа [18][36]; и национальный проект Дании DD2 (The Danish Center for Strategic Research in Type II Diabetes) (2010г — и по настоящее время) с когортой >7 тыс. больных СД 2 типа [19][37][38].

На стадии планирования и разработки находится диабет-ориентированный биобанк в Индии [12]. Одной из целей его организации является проведение современных исследований, направленных на поиск молекулярных маркеров-предикторов высокого риска возникновения СД и развития осложнений.

В России в период с 2019-2022гг совместно с научными коллективами Эстонии был создан проектный биобанк с БРК образцов крови от пациентов, страдающих СД 2 типа. Целью стало выявление маркеров генетического риска данного заболевания у лиц русской этнической принадлежности. Работа проводилась в рамках проекта "Development of measures for improving the quality of diagnosis and prevention of type 2 diabetes"⁴.

БРК, созданные с целью изучения эндокринных патологий, также представлены и в других российских биобанках: лаборатория "Банк биологического материала" ФГБУ "НМИЦ ТПМ" Минздрава России (Москва), Биобанк Института Регенеративной медицины Сеченовского университета (Москва), компания "Национальный БиоСервис" (Санкт-Петербург), Биобанк ФГБУ "НМИЦ им. В. А. Алмазова" Минздрава России (Санкт-Петербург), ФГБУ "Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью" ФМБА России (Москва), Банк биологического материала ФГБОУ ВО "Сибирский государственный медицинский университет" Минздрава России (Томск), Отдел геномной медицины ФГБНУ "НИИ АГиР им. Д. О. Отта" (Санкт-Петербург) [39].

Существует тенденция к созданию вместо отдельных хранилищ сетей биобанков и интеграции биобанков с национальными регистрами [40][41]. Такой подход позволяет расширить возможности для создания крупных БРК и получить структурированные данные высокой степени аннотированности [41]. Примерами коллабораций биобанков являются Canadian Tissue Repository Network (CTRNet), EuroBioBank, Danish National Biobank [19][40][42]. На базе подобных биорепозиториев ведутся эндокринологические исследования. В частности, упомянутый выше проект DD2 связан с Danish National Biobank, а также несколькими национальными регистрами Дании [38]. Одно из последних исследований, проведенных с привлечением DD2 когорты, было направлено на изучение распространенности и особенностей панкреатогенного СД среди пациентов с клинически диагностированным СД 2 типа [43]. На основании данных, содержащихся в национальных регистрах, были отобраны участники DD2 когорты с острым или хроническим панкреатитом в анамнезе. Материалом для биохимических исследований стали образцы крови, хранящиеся в DD2 биобанке. Доля пациентов с панкреатогенным СД составила около 1,5% [43].

Заключение

В последние годы наблюдается тенденция к широкому использованию ресурсов биобанков для проведения биомедицинских исследований, в т.ч. в области эндокринологии. Значительное внимание уделяется изучению такого социально значимого заболевания, как СД, эндокринных неоплазий и других патологий эндокринологического профиля. Технологии биобанкирования позволяют сохранять образцы эндокринных желез, крови, мочи и другого биологического материала в течение нескольких лет для последующего анализа. Имеется успешный опыт использования БРК как качественного материала для проведения омиксных исследований с целью определения генетического риска и молекулярных маркеров тяжелого течения эндокринных и метаболических нарушений, развития осложнений. В перспективе это позволит планировать профилактические и лечебные мероприятия, находить персонализированный подход к пациентам. Для решения подобных задач требуются крупные по объему выборки пациентов, а БРК помогают получить большое количество аннотированного материала, минимизируя временные и финансовые затраты. Тем не менее, некоторые аспекты биобанкирования в области эндокринологических исследований нуждаются в дальнейшей стандартизации и доработке. В частности, вопрос о сроках хранения биологического материала, при которых конкретные биомолекулы остаются стабильными, в настоящее время освещен недостаточно и противоречиво, поэтому остается открытым. Однако биобанкирование повышает качество и уровень биомедицинских исследований, способствует получению новых знаний о патогенезе и этиологии эндокринных заболеваний, что открывает дополнительные перспективы не только для развития фундаментальной науки, но и для клинической медицины. Партнерство с биобанками содействует привлечению новых стейкхолдеров в медицинские исследования, что отражается в концепции "биобанкирование 3.0". Отличие от концепций 1.0 и 2.0 заключается в смещении фокуса внимания целеполагания от рутинного создания БРК к решению прикладных задач клинической медицины, направленных на проведение масштабных исследований изучения эндокринопатий и улучшение качества жизни пациентов [44].

Отношения и деятельность: все авторы заявляют об отсутствии потенциального конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.