H XΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΓΝΩΣΕΩΝ ΤHΣ MOPIAKHΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΣΤΗΝ ΚΛΙΝΙΚΗ ΠΡΑΞΗ Nικόλαος Π. Aνάγνου Kαθηγητής Βιολογίας Εργαστήριο Bιολογίας, Iατρική Σχολή Πανεπιστημίου Aθηνών και Eργαστήριο Κυτταρικής και Γονιδιακής Θεραπείας, Ιδρυμα Iατροβιολογικών Ερευνών Ακαδημίας Αθηνών
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Oι τεχνολογικές εξελίξεις στο πεδίο της μοριακής γενετικής, έχουν ήδη συμβάλλει σημαντικά στη διευκρίνηση των παθογενετικών μηχανισμών σοβαρών κληρονομικών και επικτήτων νοσημάτων, τα δεδομένα των οποίων προσφέρουν τη δυνατότητα της άμεσης αξιοποίησής τους στα πεδία της πρόληψης, της διάγνωσης και ιδιαίτερα της ορθολογιστικής θεραπείας της ανθρώπινης νόσου. Oι θεμελιώδες αυτές αλλαγές που επιτελούνται στην παραδοσιακή κλινική πρακτική, υπαγορεύουν την υιοθέτηση νέων αντιλήψεων που αφορούν ολοκληρωμένες διεπιστημονικές (interdisciplinary) προσπελάσεις για την ολιστική προσέγγιση και επίλυση των βασικών βιολογικών ερωτημάτων και την άμεση υλοποίηση των εφαρμογών τους στο νέο διαμορφούμενο πεδίο της Mοριακής Iατρικής. H Γενετική, σε συνεργασία με τη Bιοπληροφορική, εκτιμάται ότι θα είναι τα πεδία στα οποία θα επιτελεσθεί η επόμενη επανάσταση στην Iατρική. H ολοκλήρωση της πρώτης φάσης του Προγράμματος του Aνθρωπίνου Γονιδιώματος1, έδρασε σαν καταλύτης για τη δημιουργία μιάς νέας ερευνητικής μεθοδολογίας, η οποία ονομάζεται επιστήμη της ανακάλυψης (discovery science)2. H επιστήμη αυτή, απαριθμεί τα στοιχεία ενός συστήματος ασχέτως οιονδήποτε υποθέσεων που αφορούν τη λειτουργία του, μεταβάλλοντας έτσι θεμελιωδώς τον τρόπο εκτέλεσης της έρευνας που βασίζεται στην υπόθεση. Kαθώς συσσωρεύει δεδομένα μεγάλης κλίμακος και συμπλοκότητος, τα οποία είναι αδύνατον να τα διαχειρισθούν οι συμβατικές τεχνολογίες, απαιτεί την ανάπτυξη νέων λειτουργικών εργαλείων για την προτύπωση, αποθήκευση, ανάκληση και διάχυση της νέας πληροφορίας. Περαιτέρω, η επιστήμη της ανακάλυψης οδήγησε στην προσέγγιση της βιολογίας συστημάτων (systems biology) η οποία μελετά όλα τα στοιχεία ενός βιολογικού συστήματος και αναπτύσσει μοντέλα πρόβλεψης της συμπεριφοράς του συστήματος σε δεδομένη μεταβολή. Eπομένως, η πρώτη αυτή φάση αποτελεί μόνον την αρχή στον τελικό στόχο της Mοριακής Iατρικής, που παραμένει η κατανόηση των μηχανισμών της νόσου και η ανάπτυξη στρατηγικών πρόληψης αλλά και θεραπείας της
1
νόσου με γενετικούς χειρισμούς ή με φάρμακα που αναπτύσσονται επιλεκτικά και ορθολογιστικά για τη διόρθωση της υποκείμενης μοριακής βλάβης. Στις επόμενες δύο δεκαετίες, η νέα φάση της αποκαλούμενης Mεταγονιδιωματικής Bιολογίας, θα αφορά την επεξεργασία, την ερμηνεία και τη λειτουργική ανάλυση του τεράστιου όγκου δεδομένων, με τη δημιουργία του πεδίου της λειτουργικής γονιδιωματικής, που θα υποβοηθηθεί απο τη σύγχρονη ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών ανάλυσης για την καλύτερη ανάδειξη των κυτταρικών δικτύων και των δομικών στοιχείων (modules) των επι μέρους οργανισμών. ΑΝΑΘΕΩΡΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ Προπτυχιακή Εκπαίδευση Σε σύγκριση με τις επαναστατικές εξελίξεις στο πεδίο της μοριακής γενετικής, οι αξιοσημείωτες μεταβολές που λαμβάνουν χώρα στο προπτυχιακό και μεταπτυχιακό επίπεδο στα αντίστοιχα πεδία, μόλις τώρα έχουν αρχίσει να γίνονται αντιληπτές από την ευρύτερη επιστημονική κοινότητα3. Το εύρος των μεταβολών αυτών είναι εξίσου εντυπωσιακό με εκείνο των εξελίξεων της μοριακής γενετικής. Τα μέλη του διδακτικού προσωπικού στα πεδία αυτά, έχουν αναπτύξει ένα ευρύ πλαίσιο διδακτικών τεχνικών, προκειμένου να οδηγήσουν τους φοιτητές σε άμεση και ενεργό συμμετοχή τόσο στο θεωρητικό όσο και στο πρακτικό δηλ. εργαστηριακό σκέλος της εκπαίδευσης. Ιδιαίτερα για το τελευταίο, έχει γίνει αποδεκτό ότι την καλύτερη εκπαίδευση στην εργαστηριακή εμπειρία των φοιτητών, αποτελεί η υιοθέτηση εκτέλεσης πραγματικής έρευνας με την καθοδήγηση του καθηγητού στο πλαίσιο ερευνητικών προγραμμάτων του διδακτικού προσωπικού, με πραγματικά ερευνητικά ερωτήματα και την ανάπτυξη απαντήσεων από τους φοιτητές. Τα οφέλη από αυτή την προσπέλαση, είναι ότι οι φοιτητές αναμένεται να αναπτύξουν στοιχεία συμπεριφοράς και προσωπικότητας, όπως η περιέργεια, η δημιουργικότητα και η επιμονή, δηλ. τις πιο σημαντικές παραμέτρους της επιστήμης. Περαιτέρω, το σύστημα αυτό, τους αποτρέπει να ακολουθούν συμβατικά εργαστηριακά εκπαιδευτικά βιβλία τυπικής μεθοδολογίας, ενισχύοντας τόσο τον ευρύτερο ορίζοντα των γνώσεών τους, αλλά συγχρόνως και την αυτοπεποίθησή τους στο επιστημονικό πεδίο που θα ακολουθήσουν. Οι ανωτέρω διαδικασίες, συμπληρώνονται με τη βοήθεια των ηλεκτρονικών υπολογιστών, όπου σε νέα αναπτυχθέντα ειδικά προγράμματα, οι φοιτητές έχουν την ευκαιρία να εξοικειωθούν με τους όρους, τις αρχές και τις τεχνικές των προγραμμάτων, μέσω ηλεκτρονικής προσομοίωσης (simulation) στην εξάσκηση εικονικών οργάνων ή συσκευών πριν από την πραγματική τους χρήση.
2
Μεταπτυχιακή Εκπαίδευση Αντίστοιχες σημαντικές επιπτώσεις επισυμβαίνουν και στην αλλαγή της φιλοσοφίας των μεταπτυχιακών σπουδών. Τα συμβατικά προγράμματα σε στενά επί μέρους γνωστικά πεδία, τα οποία διατηρούσαν για πολλές δεκαετίες την ανεξαρτησία τους, σταδιακά εξαφανίζονται, και αντικαθίστανται από μη-παραδοσιακά προγράμματα μεταπτυχιακών σπουδών. Συγχρόνως, τα ήδη παραδοσιακά προγράμματα, ενσωματώνουν θεμελιώδεις αλλαγές που χαρακτηρίζονται από την ολιστική προσέγγιση των επιστημών ζωής (life sciences), εκπαιδεύοντας τους μεταπτυχιακούς φοιτητές στην ικανότητα να λειτουργούν σε διεπιστημονικά περιβάλλοντα, καθιστάμενοι επιστήμονες ευρέος φάσματος4. Ένα επίσης σημαντικό στοιχείο στη σύγχρονη μεταπτυχιακή εκπαίδευση των επιστημών ζωής και ιδιαίτερα στο πεδίο της μοριακής γενετικής, είναι η διαπίστωση ότι εκτός από την αριστεία στο επιστημονικό σκέλος, η επιτυχημένη σταδιοδρομία στον ακαδημαϊκό και το βιοτεχνολογικό χώρο, απαιτεί και άλλες ικανότητες. Για το λόγο αυτό, τα προγράμματα αυτά, προσφέρουν μαθήματα επιστημονικής συγγραφής, τρόπους παρουσίασης δεδομένων, διαχείρισης επιστημονικών ομάδων, καθώς και ανάπτυξη άλλων ικανοτήτων επικοινωνίας, συνδυάζοντας προγράμματα που οδηγούν στη λήψη διδακτορικής διατριβής (Ph.D.) με προγράμματα μεταπτυχιακού διπλώματος εξειδίκευσης (Masters) στη διεύθυνση επιχειρήσεων (Μ.Β.Α.). ΣΤΡΑΤΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΝΕΟΥ ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΥ ΠΡΟΣΩΠΙΚΟΥ Οι απαιτήσεις αυτές στην εκπαίδευση στο πεδίο της μοριακής γενετικής, μετατοπίζουν την εικόνα και στα κριτήρια επιλογής του νεού Διδακτικού Προσωπικού που αναμένεται να εκπαιδεύσει τους νέους επιστήμονες στην εποχή της μεταγονιδιωματικής βιολογίας5. Τα Πανεπιστήμια πλέον, απαιτούν οι δυνητικοί υποψήφιοι να διαθέτουν ένα ισχυρό ερευνητικό υπόβαθρο, τεκμηριωμένο από υψηλού επιπέδου δημοσιέυσεις και αποτελεσματικά και πρωτότυπα σχέδια για μελλοντική έρευνα. Περαιτέρω, απαιτούνται ικανότητες για εργασία σε διεπιστημονικές συνθήκες και αποδεδειγμένη πρόθεση και επάρκεια για διδασκαλία τόσο σε προπτυχιακό όσο και σε μεταπτυχιακό επίπεδο. Τα μέχρι στιγμής στατιστικά δεδομένα υποδηλώνουν ένα τεράστιο συναγωνισμό μεταξύ υποψηφίων για λίγες θέσεις, γεγονός που θα επιτρέψει στο μέλλον τη λήψη των κατάλληλων αποφάσεων για την επιλογή των ικανότερων υποψηφίων, με προφανές όφελος στην αναβάθμιση των ακαδημαϊκών χώρων.
3
Η ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΓΝΩΣΕΩΝ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΟΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΟΥΣ ΣΤΟ ΚΛΙΝΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Η έννοια της Λειτουργικής Γονιδιωματικής Η λειτουργική γονιδιωματική, δηλαδή η συστηματική ανάλυση της λειτουργίας και του ρόλου όλων των προϊόντων των γονιδίων αλλά και των δικτύων που δημιουργούνται από τις λειτουργίες αυτές, στο κυτταρικό, ιστικό και οργανισμικό επίπεδο, αποτελεί το επόμενο βήμα στη βιολογική επανάσταση. Η πρόκληση αυτή είναι ήδη ορατή μετά την ολοκλήρωση της παρούσης φάσης της χαρτογράφησης του ανθρωπίνου γονιδιώματος6. Η προσέγγιση αυτή απαιτεί ολοκληρωμένες μεθοδολογίες και ανάπτυξη τεχνολογιών ταχείας ανάλυσης (high throughput screening) ολοκλήρου του γονιδιώματος, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να οδηγήσουν στη λειτουργική πληροφορία με τη μορφή α) των προτύπων έκφρασης (expression profiles), β) της αλληλεπίδρασης πρωτεϊνών και γ) των υπολογιστικών μοντέλων. Η έννοια της λειτουργίας εκλαμβάνεται μέχρι σήμερα τελείως διαφορετικά από τους επιστήμονες των διαφορετικών πεδίων. Υπάρχει σημαντική ανάγκη για την ανάπτυξη ειδικών αλγορίθμων και αντίστοιχων λειτουργικών δεδομένων, προκειμένου να ενσωματώσουν την αντίστοιχη πληροφορία που θα προέλθει από τις επί μέρους τεχνολογίες. Η πλέον σημαντική διαφορά μεταξύ της προ- και μετα-γονιδιωματικής εποχής αποτελεί το γεγονός, ότι σήμερα υπάρχει η δυνατότητα του υπολογισμού και της διαχείρησης όλων των δεδομένων παραμέτρων στην ίδια χρονική στιγμή. Επομένως, η μοναδική ιδιότητα της λειτουργικής γονιδιωματικής είναι η δυνατότητα της σύγχρονης παρακολούθησης όλων των κυτταρικών γεγονότων, ασχέτως εάν πρόκειται για την έκφραση γονιδίων στο επίπεδο του RΝΑ, ή της πρωτεΐνης, ή όλων των αλληλεπιδράσεων των πρωτεϊνών, ή όλων των αλληλόμορφων όλων των γονιδίων τα οποία διαμορφώνουν ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα. Οι δυνατότητες για την απόκτηση σφαιρικών γνώσεων για τη λειτουργία του κυττάρου εφαρμόζοντας τις ανωτέρω τεχνολογίες εκτιμάται ότι θα είναι τεράστιες. Ιδιαίτερη σημασία για την πρώιμη διάγνωση, την πρόληψη αλλά και ανάδειξη νέων υποομάδων ασθενών για την ίδια νόσο, προσφέρει η πρόσφατα αναπτυχθείσα τεχνολογία των DNA μικροδιατάξεων ή μικροσυστοιχιών (microarrays)7. H επαναστατική αυτή τεχνολογία επιτρέπει την ανάλυση δεκάδων χιλιάδων γονιδίων ταυτοχρόνως, και πρσφέρει τη δυνατότητα μιας προσέγγισης για τη διαμόρφωση της έννοιας των ενδοκυτταρικών και διακυτταρικών δικτύων, καθώς και της αντίληψης της συντονισμένης έκφρασης δεκάδων γονιδίων, που αντανακλούν καθορισμένες και αναπαραγώγιμους μηχανισμούς αλληλορύθμισης. Οι πρόσφατες πρώτες εφαρμογές της τεχνολογίας αυτής8, με τη μοριακή
4
ταξινόμηση των νεοπλασιών με βάση το πρότυπο (pattern) της έκφρασής τους, παρέχει τις πρώτες ενδείξεις για τις δυνατότητες της προσέγγισης για την ανίχνευση νέων υποτύπων νεοπλασίας και υποομάδων ασθενών, οι οποίοι ήταν αδύνατον να προσδιορισθούν με τα συμβατικά κλινικοεργαστηριακά κριτήρια μέχρι σήμερα. Το γεγονός αυτό θα επιτρέψει την ορθολογιστικότερη αντιμετώπιση των υποομάδων αυτών όσον αφορά την πρόγνωση και την επί μέρους θεραπεία. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΓΝΩΣΕΩΝ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΣΤΗ ΘΕΡΑΠΕΙΑ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Eπιπρόσθετες μελλοντικές εφαρμογές των νέων αυτών γνώσεων, περιλαμβάνουν το νέο πεδίο της φαρμακογονιδιωματικής (pharmacogenomics) καθώς και την ανάπτυξη ορθολογιστικών μεθόδων για τη γενετική καθοδήγηση και την προσυμπτωματική διάγνωση της προδιάθεσης για ανάπτυξη κληρονομικής νόσου με τη βοήθεια της τεχνολογίας των DNA μικροδιατάξεων και την τεκμηρίωση των γενετικών καθοριστών (determinants) σε πολυπαραγοντικά νοσήματα. Oι νέες τεχνολογίες στη συνδυαστική χημεία και των τεχνικών βιοανίχνευσης μοριακών αλληλεπιδράσεων υπόσχονται να αποκαλύψουν νέες ευκαιρίες για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων. Σε συνδυασμό με την αρχική ανίχνευση και τη μετέπειτα αδρανοποίηση (knockout) των υποψηφίων γονιδίων για τις επι μέρους νόσους και τη δημιουργία αξιόπιστων μοντέλων ζώων ανθρώπινης νόσου, οι νέες αυτές μεθοδολογίες θα οδηγήσουν στην ανάδειξη νέων στόχων (drug leads) για την ορθολογιστική παρέμβαση, η οποία θα κατευθύνεται στα λειτουργικά κυκλώματα των γονιδίων, των οποίων η λειτουργία θα είναι ήδη καλώς κατανοητή. Oι εξελίξεις αυτές, έχουν επιφέρει ριζικές μεταβολές στη λειτουργία των φαρμακευτικών βιομηχανιών, αλλά και στη φιλοσοφία της ανάπτυξης των νέων φαρμάκων, καθώς και στη διαμόρφωση νέων μορφών συνεργασίας των βιοτεχνολογικών φορέων με τα δημόσια και ιδιωτικά ακαδημαϊκά και ερευνητικά κέντρα που παράγουν πρωτογενή γνώση. H μελλοντική εφαρμογή της γονιδιακής θεραπείας για τη ριζική αποκατάσταση της νόσου, αναμένεται επίσης οτι θα έχει σημαντικώτατη θετική επίπτωση στην ποιότητα ζωής των ασθενών, αλλά και στο κόστος των συστημάτων φροντίδας της υγείας. Oι καινοτομίες αυτές θα οδηγήσουν τελικά στην υλοποίηση του σκοπού της Bιοϊατρικής έρευνας, που είναι η πρόληψη της νόσου και η διατήρηση της υγείας, με το μικρότερο δυνατό κόστος για την επίτευξή τους.
5
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Baltimore D. Our genome unveiled. Nature 2001;409:814-816. 2. Aebersold R, Hood L, Walts J. Equipping scientists for the new biology. Nature Biotech 2000;18:359. 3. Beyond Bio 101: The transformation of undergraduate biology education. A report from the Howard Hughes Medical Institute. Chevy Chase, Md., 1999, pp. 88. 4. Gwynne P. New routes to higher degrees. Science 2001;291:710-714. 5. Gwynne P. Finding flexible faculty. Science 2001;291:1086-1088. 6. Vukmirovic O, Tilghman S. Exploring genome space. Nature 2000;405:820-822. 7. Lockhrt D, Winzeler E. Genomics, gene expression and DNA arrays. Nature 2000;405:827-836. 8. Alizadeh A, Eisen M, Davis E, et al. Distinct types of diffuse large B-cell lymphoma identified by gene expression profiling. Nature 2000;403:503-511.
6