Влияние биоинженерных и биоинформационных технологий на состояние здоровья населения (обзор)

EDN: HCBZEJ

значимое повышение эффективности профилактики, лечения и реабилитации населения в целях сохранения трудового потенциала и снижения финансового бремени на систему здравоохранения.

Пополнение биоинформационных баз данных является основой для разработки и поиска предикторов многих социально-значимых заболеваний

• [1] . Для снижения рисков патологии при протекании беременности и родов необходимо унифицировать программу по созданию генетических карт репродуктивного здоровья и внедрять инновационные технологии в пренатальной диагностике [2].

Широкое внедрение в практику инновационных методов генетической и клеточной инженерии для лечения пациентов с орфанными и хроническими заболеваниями, считавшимися ранее не излечимыми [3, 4], может способствовать снижению экономической нагрузки на систему здравоохранения. Для продления долголетия и трудового возраста населения необходима и возможна переориентация на схемы лечения гериатрической направленности [5].

Цель — определить наиболее значимые биоинженерные и биоинформационные технологии, направленные на сохранение и укрепления здоровья населения.

Методика написания обзора. Систематический обзор выполнен по методологии PRISMA (Preferred reporting items for systematic reviews and metaanalyses — «Предпочтительные элементы отчетности для систематических обзоров и метаанализов») с использованием баз данных PubMed, eLibrary, CyberLeninka, Google Scholar. Глубина поиска — с 2006 по 2025 г.

Поиск проводился по следующим ключевым словам: “bioengineering”, “bioinformatics”, “regenerative medicine”, “tissue engineering”, “genetic engineering”, “population health” включая их русскоязычный перевод: «биоинженерия», «биоинформатика», «регенеративная медицина», «тканевая инженерия», «генная инженерия», «здоровье населения».

Были проанализированы полнотекстовые источники, для того чтобы определить, какие публикации имеют отношение к цели обзора. Критериями исключения были дублирующие публикации, обзорные статьи без детальных описаний научных результатов, авторские мнения. Преобладающее число публикаций по данной теме представлено в англоязычном секторе. После использования критериев исключения в обзор включены 50 источников для раскрытия указанной темы (рисунок).

Результаты обзора. Генная инженерия — основа современной биотехнологии. До недавних пор в здравоохранении лечебные мероприятия в отношении пациентов с неизлечимыми заболеваниями были направлены преимущественно на оказание паллиативной помощи.

В настоящее время генетическая инженерия позволяет разработать терапию заболеваний человека, ранее считавшихся неизлечимыми: болезни Альцгеймера [6], мышечной дистрофии Дюшенна [7], некоторых заболеваний глаз [8], гемофилии [9], дистрофического буллезного эпидермолиза [10], Х-сцепленной миотубулярной миопатии [11] и других, обеспечивая долгосрочный клинический эффект [12].

С быстрым развитием функциональной геномики появились инструменты инженерных нуклеаз [13], в том числе революционная технология CRISPR/Cas9 (кластеризованных коротких палин-дромных повторов), что сделало процесс редактирования проще и продуктивнее [14].

Наиболее частым инструментом для редактирования генома выступают rAAV — рекомбинантные аденоассоциированные вирусные векторы. Продукты, изготовленные на их основе, включают терапию

Отбор статей для обзора в соответствии с PRISMA-методологией

гемофилии [15], RPE65-ассоциированной ретинальной дистрофии [16], спинальной мышечной атрофии [17] и т. д.

На текущий момент в западных странах для лечения онкогематологических заболеваний применяется ряд терапий на основе технологии CAR-T (терапия генномодифицированными T-клетками с химерными рецепторами антигена) [18].

В России применением CAR-T на базе ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр детской гематологии, онкологии и иммунологии им. Дмитрия Рогачева» Минздрава России занимается группа под руководством Михаила Масчана [19].

Достижения тканевой инженерии . Тканевая инженерия ориентирована, как правило, на пациентов с тяжелыми заболеваниями. Существующие технологии позволят обойтись без высокоинвазивного хирургического вмешательства и сократить сроки пребывания пациентов в клинических отделениях.

Носители для клеток могут быть изготовлены из натуральных (коллаген, децеллюляризованные матрицы) или синтетических материалов [20, 21].

Трехмерная структура необходима для размножения клеток и формирования тканей или органов, которые могут сохранить свою специализированную морфологию.

Децеллюляризация — это процесс, в ходе которого можно получить бесклеточный каркас внеклеточного матрикса [22]. Ряд исследований показал, что внеклеточный матрикс обладает биоиндуктивны-ми свойствами, сравнимыми со свойствами нативной ткани: клеточным хемотаксисом, прикреплением, миграцией, пролиферацией [23].

Многочисленные исследования позволили успешно получить каркасы практически из всех органов млекопитающих с последующим применением в регенерации костной ткани [24], почек [25], эндодонта [26] и т. д.

Существует подход в инженерии тканей без использования носителей, который позволяет клеткам вырабатывать собственный внеклеточный матрикс и самособираться в трехмерные структуры [27]. Ряд современных исследований направлен на 3D-конструирование тканей с помощью внешнего магнитного поля [28].

Преимущества 3D-печати. 3D-печать используется в широком спектре медицинских учреждений: кардиоторакальной хирургии [29], нейрохирургии, челюстно-лицевой хирургии [30], офтальмологии, отоларингологии, ортопедии [31], сосудистой хирургии и т. д.

3D-печать открывает возможность моделирования индивидуальных протезов и хирургических инструментов на основе анатомии конкретного пациента [32]. Разработка и внедрение инновационных анатомических протезов ведет к снижению затрат за счет технологии аддитивного производства [33] и повышает качество медицинской помощи.

Биоматериалы, используемые для биопечати, совместимы с физиологией человека, могут включать как полимеры природного происхождения (альгинат, желатин, коллаген, фибрин и т. д.) и синтетические (например, полиэтиленгликоль), так и их композиции [34].

Использование биопечатных тканей позволяет экспериментаторам и обучающимся моделировать механизмы развития заболеваний и испытывать лекарственные препараты, сокращая расходы здравоохранения на циклы исследования и разработки [35].

Перспективы клеточной терапии . Технология эмбриональных стволовых клеток является одной из самых ранних технологий регенеративной медицины. Применение методов на основе эмбриональных стволовых клеток остается ограниченным из-за потенциального риска развития опухолей, а также этических дилемм [36].

Проблемы, связанные с применением эмбриональных стволовых клеток, может разрешить концепция индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. K. Takahashi и S. Yamanaka обнаружили, что октамерный транскрипционный фактор Oct/4, ген Y -хромосомы (SRY) — бокс 2 и ген Nanog функционируют как основные факторы транскрипции, поддерживающие плюрипотентность [37].

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки можно перепрограммировать в клетки определенного типа, которые могут быть использованы для лечения сердечной недостаточности [38], восстановления зрения [39] и т. д. Замещение β-клеток представляет собой мощную платформу в трансплантационной медицине [40].

ФГБУ «Государственный научный центр Российской Федерации — Федеральный медицинский биофизический центр им. А. И. Бурназяна» ФМБА одним из первых в России стал заниматься разработкой биомедицинских клеточных продуктов на основе аутологичных клеток [41].

Актуальными аспектами в здравоохранении является острожное применение медикаментозных средств и назначение минимального количества лекарственных препаратов при лечении пациентов старшей возрастной группы с учетом их коморбид-ности. Клеточные препараты показывают высокую эффективность с меньшим количеством побочных эффектов, что особенно актуально при лечении пациентов старшей возрастной группы [5, 42].

Биоинформационные технологии. Онкологические заболевания являются одним из главных вызовов экономике и здравоохранению во всем мире. Опухоли способны вырабатывать устойчивость к определенным лекарственным препаратам, поэтому эта область медицины нуждается в создании баз данных [43]. В области исследований рака существует несколько крупных баз данных, например Атлас генома рака (TCGA) [3].

Биоинформационный анализ позволяет объяснить вклад «внутренних» и «внешних» факторов в развитие заболеваний, выявить механизм взаимодействия лекарственного средства с молекулярной мишенью для понимания взаимосвязи между мутациями и дифференциальными терапевтическими реакциями различных групп населения [44, 45].

Анализ экспрессии генов, определение предполагаемых функций некодирующих РНК, выявления генов-кандидатов, влияющих на развитие заболевания, позволяют обнаруживать уникальные сигналы, которые могут использоваться для решения прогностических задач [1] и своевременно изменять схемы лечения онкологических заболеваний.

Общегеномные ассоциативные исследования (GWAS) связывают наличие генетических вариаций и заболевание. GWAS, основанные на моделях линейной регрессии, были успешны в выявлении менделевских признаков и заболеваний, в том числе социально значимых, таких как сахарный диабет 1-го типа [4].

Инфекционная заболеваемость и смертность остаются на высоком уровне, что представляет важную проблему для здравоохранения [46]. Традиционные биологические технологии показали свои ограничения при борьбе с COVID-19, чтобы противодействовать пандемии, применялись и были эффективными биоинформационные методы [47].

Биоинформационные картографические базы данных Complement Map Database (CMAP) и Drug directionality Map (DMAP) помогают выявить эволюционные и метаболитические различия в метаболитах для обнаружения родственных штаммов, что способствует разработке лекарственных препаратов против патогенных микроорганизмов [48].

Одной из важных областей применения биоинформатики в здравоохранении является ранняя диагностика патологических состояний с помощью метаболомики. Ее инструменты используется для поиска прогностических маркеров злокачественных, наследственных и инфекционных заболеваний при скрининге различных групп населения, включая беременных и новорожденных [49, 50].

Авторами подготовлена таблица, включающая краткие выводы по блокам тем, исследуемых в обзоре, с результатами отобранных для анализа научных работ.

Заключение. Биоинженерные и биоинформаци-онные инновационные технологии в условиях демографического кризиса и ограниченности трудовых ресурсов могут повысить численность лиц, способных продолжать трудовую деятельность (не только в трудоспособном возрасте), а также снизить экономическую нагрузку на систему здравоохранения. Закрыть эту потребность способны новые подходы терапии социально значимых и ранее неизлечимых заболеваний (CRISPR/Cas9, CAR-T). Современные

Краткие выводы по блокам тем, исследуемых в обзоре

Подход биоинженерии/био-информатики	Авторы, название статьи, издание, год, ссылка	Основные достижения	Перспективы развития для сферы здравоохранения
Редактирование генома	Stadtmauer EA, Fraietta JA, Davis MM, et al. CRISPR-engineered T cells in patients with refractory cancer. Science. 2020 [14] Wang M, Munoz J, Goy A, et al. CAR T-cell therapy in relapsed or refractory mantle-cell lymphoma. N Engl J Med. 2020 [18] Budd Haeberlein S, Aisen PS, Barkhof F, et al. Two randomized phase 3 studies of aducanumab in early Alzheimer’s disease. J Prev Alzheimers Dis. 2022 [6]	CRISPR-технология для терапии генетических заболеваний CAR-T терапия для лечения ряда заболеваний Генная инженерия в лечении и профилактике генетических заболеваний (болезнь Альцгеймера)	Внедрение технологии редактирования генома для ранее неизлечимых хронических и орфанных заболеваний снизит экономическую нагрузку на систему здравоохранения, уменьшит первичный выход на инвалидность
Тканеинженерные конструкции	Gupta SK, Mishra NC, Dhasmana A. Decellularization methods for scaffold fabrication. Methods Mol Biol. 2018 [22] Lin T, Liu S, Chen S, et al. Hydrogel derived from porcine decellularized nerve tissue as a promising biomaterial for repairing peripheral nerve defects. Acta Biomater. 2018 [23] Douglas TEL, Sobczyk K, Łapa A, et al. Ca: Mg: Zn: CO3 and Ca: Mg: CO3-tri- and bielemental carbonate microparticles for novel injectable self-gelling hydrogel-microparticle composites for tissue regeneration. Biomed Mater. 2017 [21] Vidiasheva IV, Abalymov AA, Kurochkin MA, et al. Transfer of cells with uptaken nanocomposite, magnetite-nanoparticle functionalized capsules with electromagnetic tweezers. Biomater Sci. 2018 [28]	Получены каркасы из внеклеточного децеллюляри-зированного матрикса Изучены механизмы взаимодействия матрикса с клетками Получены материалы, которые обеспечивают механическую прочность и благоприятную для клеток среду Разработана стратегия конструирования тканей с помощью внешнего магнитного поля	Ожидаемое создание жизнеспособных и полноценно функционирующих искусственных копий отдельных тканей человека и некоторых органов обеспечивает ускоренную регенерацию поврежденных органов и тканей, уменьшение риска хирургического вмешательства, тем самым способствует повышению медицинской, социальной и экономической эффективности здравоохранения
3D-печать	Dey M, Ozbolat IT. 3D bioprinting of cells, tissues and organs. Sci Rep. 2020 [34] Frame M, Huntley JS. Rapid prototyping in orthopaedic surgery: A user’s guide. Sci World J. 2012 [32]	Биопечать клеток из натуральных и/или синтетических биоматериалов с высоким разрешением Биопечать индивидуальных протезов и хирургических инструментов	Ожидается развитие аддитивной анатомической печати, которая позволит сократить экономические затраты на производство средств реабилитации и повысить медицинскую и социальную эффективность реабилитации;созда-вать инновационные концепции для исследовательской, медицинской и образовательной, деятельности

Окончание табл.

Подход биоинженерии/био-информатики Авторы, название статьи, издание, год, ссылка Основные достижения Перспективы развития для сферы здравоохранения Клеточная терапия Menasché P, Vanneaux V, Hagège A, et al. Human embryonic stem cell-derived cardiac progenitors for severe heart failure treatment: First clinical case report. Eur Heart J. 2015 [38] Schwartz SD, Regillo CD, Lam BL, et al. Human embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelium in patients with age-related macular degeneration and Stargardt’s macular dystrophy: Follow-up of two openlabel phase 1/2 studies. Lancet. 2015 [39] Forest DL, Johnson LV, Clegg DO. Cellular models and therapies for age-related macular degeneration. Dis Model Mech. 2015 [42] Получены различные типы клеток с помощью индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (in vitro) Клеточные препараты показывают высокую эффективность с меньшим количеством побочных эффектов Технология направлена на выращивание органов, что позволит сократить очередь на трансплантацию, способствовать возврату пациентов к трудовой деятельности; создавать щадящие терапевтические платформы для пациентов старшей возрастной группы Биоинформационные технологии Kennedy AD, Pappan KL, Donti TR, et al. Elucidation of the complex metabolic profile of cerebrospinal fluid using an untargeted biochemical profiling assay. Mol Genet Metab. 2017 [50] Поиск прогностических маркеров злокачественных, наследственных и инфекционных заболеваний Технология позволяет создавать диагностические биомаркеры и мультиомные Grossman RL, Heath AP, Ferretti V, et al. Toward a shared vision for cancer genomic data. N Engl J Med. 2016 [3] Bradfield, J. P., Qu, H.-Q., Wang, K, et al. A genome-wide meta-analysis of six type 1 diabetes cohorts identifies multiple associated loci. PLoS Genet. 2011 [4] Chan JFW, Kok KH, Zhu Z, et al. Genomic characterization of the 2019 novel human-pathogenic coronavirus isolated from a patient with atypical pneumonia after visiting Wuhan. Emerg Microbes Infect. 2020 [47] Разработаны лекарственные препараты, в том числе противораковые Созданы базы данных в борьбе с наследственными заболеваниями Противодействия вирусным и инфекционным заболеваниям, в том числе COVID-19 подходы для скрининга различных групп населения (в том числе беременных женщин и новорожденных) с целью выявления рисков развития различных заболеваний тенденции в области регенеративной медицины нацелены на конструирование уникальных персонализированных средств реабилитации пациентов и сокращение срока их пребывания в медицинских учреждениях (тканеинженерные конструкции, 3D-печатные модели), в то же время клеточные технологии могут способствовать сохранению кадрового потенциала среди лиц пенсионного возраста, которые составляют значительную долю трудового потенциала страны. Использование геномных/кли-нических баз данных (TCGA, GWAS) направлено на мониторинг состояния здоровья (идентификация факторов риска и предикторов заболеваний), что способствует повышению эффективности профилактических мероприятий, раннему выявлению групп риска их развития и позволяет снизить долю лиц с тяжелым течением заболеваний.

Обзор научных публикаций позволяет сделать вывод о значимом потенциале развития биоинженерных и биоинформационных технологий для улучшения состояния здоровья населения. В настоящее время назрела необходимость оценки медицинской, экономической и социальной эффективности каждого из рассмотренных направлений с последующим обоснованием организационных технологий интеграции в практику здравоохранения.

Вклад авторов. Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.