«Фабрика технологий» — совместный проект РБК Екатеринбург и Уральского федерального университета, посвященный достижениям и новым разработкам ученых. В этом выпуске профессор кафедры технологии органического синтеза УрФУ Елена Ковалева объясняет, как новая тест-система, созданная уральскими учеными, помогает выявлять заболевания на ранней стадии. Методика основана на анализе метаболомного профиля крови с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии (ВЭЖХ-МС). Технология фиксирует малейшие колебания в составе липидов, аминокислот и витаминов, которые могут быть связаны с патологическими изменениями в организме. Использование искусственного интеллекта позволяет установить специфичность выявляемых биомаркеров, что повышает точность разрабатываемой тест-системы. Благодаря такому подходу можно диагностировать болезни на ранних стадиях, что открывает новые перспективы для профилактической и персонализированной медицины.
Интервью с Еленой Ковалевой можно читать или смотреть — как удобнее.
— В чем заключается технология, которую вы разрабатываете?
— В рамках портфеля проектов НИОКР УрФУ с Институтом иммунологии и физиологии УрО РАН, реализуемого в ходе стратегического проекта «Академическое партнерство» программы «Приоритет-2030», мы разработали методику выявления специфических биомаркеров в плазме крови, сигнализирующих о развитии различных заболеваний, в частности иммунодефицитных состояний.
Дело в том, что в организме человека постоянно протекают биохимические процессы, формирующие его метаболический профиль. При развитии заболеваний этот баланс нарушается: появляются новые метаболиты, исчезают старые, изменяется их концентрация. Эти изменения затрагивают все биологические жидкости, однако наиболее информативным источником данных остается кровь, используемая в большинстве лабораторных анализов.
Доклинические исследования нашей тест-системы на лабораторных животных показали связь между экспериментальным иммунодефицитом и изменением состава липидов в крови. Разработанная методика пробоподготовки и анализа липидов позволяет выявлять маркеры, ассоциированные с патологическими процессами, что открывает перспективы для ранней диагностики заболеваний у человека.
В основе технологии лежит высокоэффективная жидкостная хроматография, совмещенная с масс-спектрометрией (ВЭЖХ-МС). Это один из самых чувствительных методов анализа, фиксирующий изменения концентрации веществ на уровне пикограмм и фемтограмм на грамм. Такой подход позволяет обнаруживать даже незначительные отклонения в метаболическом профиле человека, оценивать стадию заболевания и выявлять его на самых ранних этапах.
Липиды крови являются наиболее чувствительными метаболитами патологических процессов. В анализ также включены витамины и аминокислоты, что помогает выявлять корреляции между различными классами метаболитов. После забора крови у пациента исследуется метаболический профиль липидов, аминокислот и витаминов. С помощью ВЭЖХ-МС и биоинформационного анализа определяется специфический набор метаболитов, характерных для конкретного заболевания. Если имеются данные о пациентах на разных стадиях болезни, можно установить связь между изменениями в метаболическом профиле и тяжестью заболевания.
— В чем ключевое преимущество вашей методики по сравнению с существующими диагностическими тестами, например, на онкомаркеры?
— Среди аналогов разработанной методики можно выделить подход, основанный на использовании метода газовой хроматографии с масс-спектрометрией для обнаружения специфических жирных кислот, ассоциированных с изменением микробиома кишечника. Поэтому именно жирные кислоты являются ключевыми биомаркерами для определения состава кишечной микрофлоры. Однако его возможности ограничены: он анализирует исключительно жирные кислоты и требует сложной пробоподготовки. Чтобы провести исследование, образец необходимо перевести в газообразное состояние, что требует дополнительных химических превращений.
В отличие от этого метода, высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), совмещенная с масс-спектрометрией, более универсальна: она позволяет анализировать широкий спектр метаболитов, включая различные классы липидов, и не требует сложной подготовки образцов. Это делает технологию применимой для диагностики большего числа заболеваний. Исследования подтверждают, что анализ метаболического профиля может выявлять онкологические, аутоиммунные, эндокринные и другие социально значимые заболевания, включая диабет, системную красную волчанку и неалкогольную жировую болезнь печени.
Дополнительное преимущество системы — использование искусственного интеллекта, который встраивается в качестве модуля в программный комплекс по отбору метаболитов. С его помощью можно провести анализ экспериментальных данных, сопоставить метаболические профили с известными заболеваниями и предсказать диагноз. Это значительно ускоряет процесс выявления заболевания и повышает его точность.
В будущем технология может работать через централизованный диагностический центр с ВЭЖХ, совмещенной с масс-спектрометром, где результаты анализов будут обрабатываться автоматически. Интеграция искусственного интеллекта в программный продукт для отбора метаболитов позволит проводить исследования в масштабах крупных лабораторий и клиник, обеспечивая быстрые и точные результаты.
— На каком этапе сейчас находится разработка тест-системы?
— Разработка технологии велась при поддержке программы «Приоритет-2030», которая финансировала исследования в течение 2,5 лет. В реализации проекта также участвует Саратовский государственный медицинский университет, предоставляющий образцы крови и помогающий в исследованиях ранней диагностики заболеваний. Кроме того, в проекте задействован Научно-исследовательский институт вирусных инфекций ВИРОМ, где проводят манипуляции с образцами человеческого биоматериала.
Однако для ускоренного вывода технологии на рынок требуется привлечение дополнительных инвестиций. В дальнейшем проект может получить финансирование на следующем этапе программы, но параллельно ведется поиск частных инвесторов для более быстрого внедрения методики в клиническую практику.
Сейчас тест-система находится на стадии разработки методики пробоотбора и выбора биомаркеров различных заболеваний. В ходе доклинических испытаний на лабораторных мышах была протестирована методика идентификации метаболитов, а теперь данный подход апробируется на образцах плазмы крови человека.
На текущем этапе также начаты испытания на образцах крови пациентов. В качестве клинической модели выбран рак предстательной железы. Первые результаты подтверждают значительную разницу в метаболическом профиле здоровых людей и пациентов с онкологией, что свидетельствует о высокой диагностической ценности метода.
Текущий уровень готовности технологии (TRL-3) предполагает проведение доклинических исследований и валидацию методики. Запатентованный подход в перспективе может быть доработан для практического применения, а к 2027 году планируется довести технологию до TRL-7, что означает готовность к внедрению в медицинские учреждения.
Среди потенциальных заказчиков технологии — лабораторные и диагностические компании, такие как «Гемотест», «Инвитро», а также клиники «УГМК-Здоровье», где планируется тестирование методики.
— Какие основные барьеры стоят на пути коммерциализации метода?
— Несмотря на высокую точность и универсальность методики, ее коммерциализация сталкивается с рядом препятствий. Одно из ключевых — инфраструктурные ограничения: для работы системы требуется централизованный ВЭЖХ-масс-спектрометрический центр, где будут приниматься и анализироваться образцы крови, а также аналитический центр, обрабатывающий данные с использованием программного обеспечения и искусственного интеллекта.
Еще один вызов — конкуренция с существующими методами диагностики. На рынке уже применяются тесты на онкомаркеры и другие диагностические решения. Однако главное преимущество новой технологии — возможность выявления заболеваний на ранних стадиях, что открывает перспективы их эффективного предотвращения и своевременного лечения.
Кроме того, методика должна соответствовать регуляторным требованиям. Для внедрения в клиническую практику она должна пройти регистрацию как медицинское изделие и получить необходимые разрешения. В этом направлении ведется работа совместно с Саратовским государственным медицинским университетом имени В. И. Разумовского Минздрава РФ, который готов помочь с юридическим оформлением технологии.
Несмотря на эти барьеры, мы уверены, что наша система способна изменить подход к диагностике и профилактике заболеваний, обеспечив своевременное выявление патологий и персонализированный подход к медицине.
— Когда тест-система может стать доступной для клинического использования?
— Если наладить логистику и интегрировать новую методику диагностики в стандартные медицинские осмотры, она станет доступной для широкого круга пациентов. Человек сможет сдать анализ крови в рамках обычного профосмотра, а результаты покажут наличие метаболитов, указывающих на возможные заболевания. Такой подход позволит выявлять патологии на ранних стадиях или даже предболезненные состояния, давая пациенту возможность своевременно обратиться к врачу и предотвратить развитие серьезных осложнений.
При массовом внедрении технологии стоимость анализа останется на уровне стандартных лабораторных тестов, таких как исследования на онкомаркеры и другие диагностические показатели. Однако, как и любые биомаркеры, онкомаркеры не всегда дают точные результаты, поскольку возможны ложноположительные или ложноотрицательные заключения. Новая методика обеспечит более надежную диагностику, не увеличивая финансовую нагрузку на пациентов
Сегодня государственная стратегия направлена на развитие персонализированной и профилактической медицины, главная цель которой — не просто лечить болезни, а предотвращать их развитие. Включение анализа метаболитов в стандартные медосмотры поможет своевременно выявлять потенциальные угрозы для здоровья, когда проблему еще можно решить без сложного и дорогостоящего лечения. Такой подход позволит значительно повысить эффективность профилактической медицины и улучшить качество жизни людей.
