Poszerzanie naszej wiedzy o mikrobiomie, jaki każdy człowiek ma w swoich jelitach, może pomóc w ocenie zagrożenia chorobami i pomóc w opracowaniu terapii. Takie rozwiązania wymagają zebrania ogromnej ilości danych i ich przetworzenia. Pojawiają się już pierwsze rozwiązania, które pomagają w diagnostyce niektórych chorób i zakażeń – mówi Michał Kaszuba, prezes firmy genXone.
– Jak wygląda rynek badań genetycznych w Polsce? Czy to jest duży już obszar? Czy się rozwija?
Michał Kaszuba – Rynek diagnostyki molekularnej przez wiele lat był w Polsce niedoceniany. Nie doceniano zwłaszcza możliwości tych technologii. W dużym stopniu przyczyniły się do tego kwestie finansowe, ponieważ badania molekularne ciągle są droższe od klasycznych, zwłaszcza w obszarze, gdzie mogą one być alternatywą – czyli na przykład w obszarze infekcji. Metodą badania z wyboru są tam w dużej mierze posiewy, czyli analityczne, proste metody, stosunkowo niedrogie. W ostatnich latach pandemia COVID dużo jednak zmieniła w postrzeganiu i znaczeniu tych technologii. W przypadku takich infekcji biologia molekularna czy genetyka molekularna oferuje proste rozwiązania i trudno znaleźć alternatywę analityczną. Dzięki temu widzimy rzeczywiście większe zainteresowanie rynku medycznego testami molekularnymi, zwłaszcza w tym obszarze infekcji dróg oddechowych, gdzie mamy do czynienia z prawdziwą plagą zachorowań. Są oczywiście inne rozwiązania, między innymi szybkie testy kasetkowe, refundowane przez NFZ. Natomiast testy molekularne już nie są refundowane, mimo że są z jednej strony bardziej precyzyjne, a z drugiej dają szersze możliwości poszukiwania przyczyn choroby. Z tego powodu lekarze znacznie częściej niż wcześniej sięgają po rozwiązania molekularne, ale nie jest to jeszcze powszechna praktyka.
– W jakich obszarach medycyny te badania molekularne się rozwijają? Kojarzyłbym choroby zakaźne, infekcje wirusowe, onkologię i gastrologię. Czy to jest dobry kierunek poszukiwania?
– Tak, to są między innymi obszary, które Pan wymienił. Ale to również choroby rzadkie, obciążenia chorobami genetycznymi, predyspozycje do nowotworów czy samo profilowanie nowotworów. Dzisiaj biologia czy genetyka molekularna jest nieodzowna w przypadku dobierania niektórych terapii onkologicznych. Natomiast nasza firma specjalizuje się raczej w obszarze infekcji, a przede wszystkim w szerzej pojętej mikrobiologii. Chodzi o identyfikację, typowanie wariantów lub analizy bardziej złożonych zbiorowisk, w których występują mikroorganizmy i ich wpływ na nasze zdrowie. Chociażby mikrobiota jelitowa (potocznie mikroflora), zamiennie nazywane mikrobiomem przewodu pokarmowego. To zbiorowisko stanowi kopalnię wiedzy, w której bardzo wiele pozostaje do odkrycia. Nowe technologie pozwalają poszerzać wiedzę i tworzyć praktyczne narzędzia, oparte o biologię molekularną, które umożliwią nam lepiej rozumieć przyczynę chorób i dolegliwości, które mamy, tak aby im przeciwdziałać.
– W tym celu budujecie bazę danych o mikrobiocie jelitowej.
– Jednym z naszych głównych projektów jest budowanie bazy referencyjnej właśnie po to, aby uzupełnić braki wiedzy. Wiemy bowiem, że mikrobiom jelitowy jest bardzo złożony. Jego genom, biorąc pod uwagę wszystkie bakterie, które żyją w naszych jelitach, jest znacznie większy od naszego ludzkiego genomu. Siłą rzeczy oddziaływanie tego zbiorowiska mikroorganizmów na nasz organizm jest ogromne i nadal nie do końca poznane. Nowe narzędzia pozwalają coraz bardziej precyzyjnie opisywać to, co żyje razem z nami – jak to funkcjonuje, co wytwarza, jak działa, jak współdziała z nami?
– Czy to jest bardziej nauka czy biznes?
– Jedno i drugie. Jeśli działamy w tak drażliwym obszarze jak medycyna, musimy przekuwać wyniki naszych badań czy obserwacji na konkretne rozwiązania diagnostyczne. Trzeba zrozumieć, że kluczem do ludzkiego zdrowia jest przeciwdziałanie potencjalnym chorobom – to najprostszy i najtańszy sposób dbania o zdrowie człowieka. Choroby przeważnie nie pojawiają się nagle, tylko są efektem przewlekle występującego problemu, związanego z dietą, stylem życia czy składem mikrobioty, który jest odzwierciedleniem naszych wzorców żywieniowych i zachowań. Wiedzy o tych zależnościach dzisiaj brakuje. Oczywiście wiele ośrodków na całym świecie prowadzi badania nad wpływem różnych czynników na pojawianie się konkretnych chorób, n.in. nowotworów czy konkretnych chorób związanych z naszym przewodem pokarmowym, jak zespół jelita drażliwego, choroba Leśniowskiego-Crohna czy różnego rodzaju stanów zapalnych. Poszukiwane są przyczyny depresji, chorób psychicznych i związanych z naszym układem nerwowym, typu „Alzheimer”. Wiele z nich może mieć źródło w naszym przewodzie pokarmowym czy mikrobiomie. Chociaż wiele obszarów wymaga dalszych badań, dzisiaj dużo już wiemy i już jesteśmy w stanie przedstawić konkretną propozycję w ramach badania NANOBIOME.
– Rozumiem, że zbieracie dane jeszcze nie do końca wiedząc, jak będzie można je w przyszłości wykorzystać. Ale co jest już taką twardą wiedzą, która pozwala na podstawie diagnostyki przekazać pacjentowi czy lekarzowi dane, dotyczące konkretnej choroby? Co już wiemy na pewno?
– W ramach naszych badań mikrobioty jelitowej korzystamy z tych zebranych danych. Bez nich NANOBIOME nie miałby takiej wartości. Aktualnie możemy poznać różnorodność mikrobioty, przyjrzeć się funkcjom bakterii w naszym organizmie i ocenić, na ile dobrze dbamy o tych naszych małych sojuszników. W oparciu o publikacje naukowe dokonaliśmy przeglądu bakterii, dzięki któremu dietetycy mogą wnioskować o zależnościach między składem mikrobioty a ogólnym stanem pacjenta. Mamy ogromne przeczucie i nad tym cały czas pracujemy, aby z tych danych wyciągnąć jeszcze więcej! Mamy ponadto testy diagnostyczne oparte o genetyczne metody biologii molekularnej, które precyzyjnie wskazują konkretną infekcję czy konkretny mikroorganizm, na przykład mamy do czynienia z infekcją Clostridioides difficile, więc wiadomo, jakie podjąć leczenie.
Odkryto również, że niektóre bakterie ze względu na swoje właściwości mogą powodować problemy w konkretnych sytuacjach. Na przykład udowodniono, że problemy przy przeszczepach często powodują bakterie, które posiadają geny lekooporności na antybiotyki. Wiemy także że niektóre bakterie posiadające konkretne geny, mogą powodować problemy przy zabiegach operacyjnych na jelitach. Na przykład duża ilość bakterii, które wytwarzają kolagenazę (czyli enzym niszczący podstawowe białko strukturalne, tworzące ścianę naszych jelit) w organizmie pacjenta powoduje, że może pojawić się problem z gojeniem się ran po operacji i dojściem do zdrowia. Są opisane konkretne gatunki, które mają bardzo istotny wpływ na pojawianie się na przykład nowotworu jelita grubego. A zatem obecność takiej bakterii w naszym przewodzie pokarmowym może być potencjalnie niebezpieczne i spowodować wystąpienie choroby.
– W onkologii duże znaczenia ma NGS, czyli sekwencjonowanie nowej generacji. Jakie są perspektywy rozwoju tych badań, z korzyścią dla pacjentów?
– To bardzo ciekawy temat. NGS jest oparty na amplifikacji, czyli powielaniu, kopiowaniu bardzo krótkich fragmentów DNA, które chcemy zbadać. Jest bardzo dokładny, ale jeśli analizujemy cały genom człowieka, to pojawia się kłopot ze składaniem tych malutkich fragmentów w całość, ponieważ są tam również fragmenty, które nie pozwalają analizować poważniejszych rearanżacji, czyli przemieszczeń poszczególnych fragmentów między chromosomami czy w obrębie chromosomów. Tutaj pojawia się nowa technologia nanoporowa, którą można określić jako NGS trzeciej generacji. Daje ona możliwość badania sekwencji genomów, bardzo długich fragmentów, które dzięki swojej długości umożliwiają złożenie i spojrzenie na cały genom pacjenta, bakterii czy wirusa. Nie potrzebujemy kopiować fragmentów tego genomu, tylko możemy sekwencjonować DNA bezpośrednio pochodzące z komórek. Czyli oprócz sekwencji mamy także możliwość uzyskania innych informacji, na przykład o modyfikacjach nukleotydów. Jesteśmy pierwszym w Polsce laboratorium, które już od ponad 6 lat zajmuje się tą technologią.
– Tą trzecią generacją, długimi odczytami?
– Tak, trzecią generacją, która daje lepsze możliwości poznania złożoności zbiorowiska typu mikrobiota. Ale z drugiej strony tworzymy rozwiązania umożliwiające bardzo precyzyjne sekwencjonowanie wirusów, chociażby SARS-CoV-2. Nasze rozwiązania aplikowaliśmy w wojewódzkich stacjach sanitarno-epidemiologicznych, które wykorzystują je do analizy pojawiających się ognisk koronawirusa.
– W jakim kierunku rozwija się ta technologia?
– Często mówi się, że coraz ważniejsza jest epigenetyka, czyli modulowanie działania genów poprzez ich metylację. Istnieją mechanizmy w naszych komórkach, dzięki którym to komórki mogą decydować, czy dany gen działa prawidłowo albo jaki jest poziom odczytywania informacji z genomu. Te informacje mają bardzo istotne znaczenie w diagnostyce niektórych osób.
– A jak komercjalizujecie waszą wiedzę?
– Dzisiaj sprzedajemy zarówno produkty jak i usługi. Wykorzystanie technologii nanoporowej ma ogromne zalety w wielu obszarach biologii molekularnej, więc od sześciu lat tworzymy rozwiązania „szyte na miarę”. Na przykład wojewódzkie stacje sanitarno-epidemiologiczne muszą monitorować pojawiające się ogniska potencjalnie niebezpiecznych patogenów w naszym społeczeństwie i potrzebują gotowych rozwiązań, które im to umożliwią. Muszą mieć gotowy produkt w postaci protokołu wykonania sekwencjonowania wraz z zestawem odczynników i odpowiednim oprogramowaniem analitycznym – i my to tworzymy dla nich. Druga rzecz – to oczywiście są usługi, czyli pomoc w rozwiązaniu konkretnego problemu badawczego. To nie tylko sektor naukowy, ale również przemysł spożywczy, gdzie coraz częściej wykorzystuje się biologię molekularną. Chodzi na przykład o to, aby wykluczyć obecność w produktach spożywczych potencjalnie groźnych chorobotwórczych bakterii.
– Interesującym produktem jest badanie mikrobioty jelitowej.
– Tak, nasze badanie związane z mikrobiotą jelitową można zakupić w sklepie internetowym lub u współpracujących z nami dietetyków. Pacjent otrzymuje bardzo rozbudowany raport, a nie tylko prosty wynik, jakie ma bakterie i ile ich jest. Raport podaje informacje o taksonomii, czyli jakie gatunki żyją w naszym przewodzie pokarmowym, a także prezentuje je pod kątem funkcjonalnym – to znaczy, ile i jaka jest proporcja bakterii, które produkują dla nas dobroczynne substancje, na przykład kwas masłowy czy witaminy. To wskazówki dotyczące diety, suplementacji. Te informacje mogą już dziś wytłumaczyć nam nasze potencjalne dolegliwości.
– Czy możemy wykorzystać tę wiedzę, żeby zmniejszyć prawdopodobieństwo zachorowania na chorobę neurologiczną czy onkologiczną? Czy już dziś jest to możliwe?
– Dzisiaj jeszcze nie. Odkrycie zależności między konkretnymi wzorcami mikrobioty jelitowej a ryzykiem pojawienia się specyficznej jednostki chorobowej to temat bardzo żywy w środowisku naukowym. Mamy nadzieję dołożyć swoją cegiełkę w tych pracach.
– Rozumiem, że badacie korelację występowania określonych drobnoustrojów z chorobami w populacji.
– Konieczne jest prowadzenie dalszych badań nad konkretnymi chorobami na podstawie danych zebranych od dużych grup pacjentów, z konkretnymi dolegliwościami, a także od grupy osób zdrowych, aby przeanalizować ewentualne różnice. Chodzi nie tylko o informacje o gatunkach mikroorganizmów, które występują u pacjentów, ale również o dane na poziomie konkretnych genów, które bakterie mają w swoich genomach i cząsteczkach DNA. Nabywane cechy bakterii, na przykład antybiotykooporność, często znajdują się właśnie na tych małych cząsteczkach – plazmidach – którymi mikroorganizmy potrafią się wymieniać.
– Co można z tą wiedzą zrobić?
– W przypadku mikrobioty możemy za pomocą choćby diety i stylu życia modyfikować jej skład, tak aby on był bardziej optymalny dla naszego zdrowia. Mamy też narzędzia, które pozwalają działać w przypadku potencjalnie patogennych drobnoustrojów. Dzisiaj standardową procedurą w przypadku zakażenia Clostridioides difficile jest przeszczep kału – metoda wymiany mikrobiomu na taki, który nie będzie sprawiał problemów.
– Od wielu lat zbieracie te dane, żeby stworzyć coś w rodzaju wzorca polskiego genomu mikrobioty.
– Idea, która nam przyświeca, jest taka, żeby z jednej strony poznać różnorodność mikrobiotyi ją opisać, a z drugiej strony zobaczyć, jak pod tym względem wyglądamy jako społeczeństwo. Dalej idąc – pokazać, jak to wygląda u zdrowych osób. Równocześnie możemy analizować odstępstwa od normy w mikroflorze bakteryjnej osób z konkretnymi problemami zdrowotnymi, jak na przykład depresja, alzheimer itd. Dzięki temu chcemy na koniec stworzyć narzędzie wskazujące, czy profil naszego mikrobiomu jest charakterystyczny dla osób, które są zdrowe, a także czy jego skład predysponuje nas do wystąpienia konkretnej choroby, chociaż dzisiaj nie mamy jeszcze jej objawów. Obecność konkretnych genów czy bakterii charakterystycznych dla danej jednostki chorobowej będzie sygnałem, że znajdujemy się w grupie ryzyka.
– Jest Pan pewien, że uda się zdobyć wiedzę, która będzie jednoznacznie wiązać wyniki badań mikrobiomu z określonymi chorobami i na tej podstawie przeciwdziałać albo przynajmniej budować czujność pacjenta?
– To byłoby zbyt duże uproszczenie. Choroby zwykle nie mają jednej przyczyny, często tych przyczyn jest wiele i profil mikrobiomu jest tylko jedną z nich. Na pewno jednak mając tę wiedzę będziemy w stanie ograniczać ryzyko wystąpienia choroby za pomocą zmiany diety, kształtowania mikrobioty czy innych właściwych interwencji.
– Kiedy będziecie w stanie stworzyć tak dużą pulę danych, że pozwoli na w miarę skuteczne interwencje?
– Z naszej pozycji badaczy mikrobioty jelitowej oprócz ilości zgromadzonych danych pozwalających na wyciąganie statystycznie istotnych wniosków, kluczowe staje się spojrzenie na dane przekrojowo – co możemy wyciągnąć wartościowego z wiedzy o genach bakterii. Jest to zadanie o charakterze długofalowym i wielowątkowym: gromadzenie materiału badawczego, analiza powiązań, ocena skuteczności interwencji. To zadania dla całego świata naukowego zainteresowanego mikrobiotą.
– Niedawno pojawiły się doniesienia naukowe, wiążące chorobę Alzheimera z określonymi typami bakterii.
– Tak, to jest jeden z interesujących kierunków badań, podobnie jak depresja. Chodzi o produkcję neurostymulatorów w przewodzie pokarmowym. Mikrobiota może być jednym z czynników. Czy jest jedynym – raczej wątpię. Natomiast na pewno możemy w tym obszarze wykorzystać wiedzę, która płynie z przewodu pokarmowego i z tego, jak nasz mikrobiom jest zbudowany.
– W przetwarzaniu tak dużej ilości danych pomagać mogą zapewne algorytmy sztucznej inteligencji.
– Data mining, big data i artificial intelligence. Mamy do czynienia z bardzo złożonym światem i ogromną ilością różnic pomiędzy poszczególnymi osobami. Nie ma jednego wzorca. Pracuje nad tym nasz zespół bioinformatyków, stale rozbudowując te kompetencje. Ale również budujemy synergię, szukając partnerów, którzy są bardzo kompetentni w obszarach, które mogą nas wesprzeć. Między innymi pracujemy z duńską firmą gMendel w obszarze chorób rzadkich. Wspólnie chcemy stworzyć możliwe do zastosowania szerokie testy, na przykład test podstawowy, czyli test na nosicielstwo szerokiego spektrum chorób. Na początek obejmie on m.in. SMA, zespół łamliwego chromosomu X i mukowiscydozę. Docelowo ma obejmować 30 różnych chorób rzadkich.
– Żeby finansować tak szerokie badania potrzebne są równie duże budżety. Jakie są główne źródła przychodu?
– Bardzo dużą część naszych przychodów stanowią produkty, które sprzedajemy do innych laboratoriów, czyli gotowe rozwiązania, które zaprojektowaliśmy. Aktualnie dotyczą głównie koronawirusa i salmonelli. Prowadzimy również walidacje produktów innych firm, wchodzących na rynek – na przykład ewaluacje kliniczne dla firmy Pure Clinical. Najbliższy rok będzie dla nas dużym wyzwaniem. Chcemy rozwijać sprzedaż naszego produktu NANOBIOME – badania mikrobioty jelitowej. Dziś każdy może zakupić to bardzo szczegółowe badanie, a następnie skonsultować swój raport wynikowy z dietetykiem. Ale poszerzamy naszą wiedzę i będziemy wprowadzać nowe informacje do raportu. Rozbudowujemy też sieć współpracujących z nami dietetyków, a docelowo także gastroenterologów.
– W jakim miejscu rozwoju diagnostyki genetycznej znajduje się Polska na tle Europy, Japonii czy Stanów Zjednoczonych. Mamy jakieś zapóźnienie?
– Najprościej mówiąc, mamy zaległości około 10 lat. Przy czym wszystkie techniki, które są na zachodzie, są również u nas – tu nie ma bariery. Zapóźnienie polega na tym, że nie ma zapotrzebowania rynku na te rozwiązania. Mamy bardzo niską świadomość istnienia takich badań zarówno wśród pacjentów jak i lekarzy. Dodatkowo kwestia ceny często jest bardziej istotna niż informatywność testu. Klient nie wybiera testu molekularnego tylko prosi o posiew – będzie to trwało pięć dni zamiast jednej doby, uzyska mniej informacji, ale zapłaci 20 zł a nie tysiąc. Ograniczone fundusze hamują rozwój.
– Czy na koniec mógłby Pan powiedzieć, czym się różni mikrobiota Polaka od Europejczyka albo od typowej światowej?
– Nie chodzi wyłącznie o to, gdzie żyjemy. Bardziej o styl życia i dietę. Mieszkaniec Warszawy będzie miał podobny mikrobiom jak mieszkaniec Berlina czy Nowego Yorku, natomiast zapewne istotnie różny od mieszkańca sielskiej polskiej wsi oddalonej od cywilizacji.
– Czyli należy jeść w różnorodny sposób, w różnych restauracjach, stosować zróżnicowane diety?
– Taka jest często konkluzja naszych analiz. Możemy mieć bardzo różne profile, być wegetarianami czy wszystkożercami. W zależności od naszej diety będziemy mieli inne układy bakterii. Nie znaczy to, że jeden jest gorszy od drugiego. One są po prostu dostosowane do naszego trybu życia i obie formy mogą być dobroczynne dla nas. Tylko nasza dieta musi być rozmaita, monotonia na talerzu to prosta droga do zubożenia mikrobioty. Często o wywołaniu jakiejś choroby czy pojawieniu się problemu decyduje przypadek. Żyjemy w złożonym ekosystemie. Stykając się z innymi ludźmi, wymieniamy się bakteriami – nawet witając się na ulicy ze znajomym. To wszystko ma wpływ na nasze zdrowie.
(rozmawiał Krzysztof Jakubiak)
